第１８卷　第６期

２０１８年１２月

交 通 运 输 工 程 学 报

JournalofTrafficandTransportationEngineeringVol1049008１８　No1049008６

Dec２０１８

收稿日期２０１８Ｇ０６Ｇ０９基金项目国家自然科学基金项目(５１７７８４１２)作者简介张稳军(１９７５Ｇ)男甘肃平凉人天津大学副教授工学博士从事隧道与地下工程施工及设计新理论研究

文章编号１６７１Ｇ１６３７(２０１８)０６Ｇ００３７Ｇ１３

盾构隧道斜螺栓接头受力性能与火灾下温度分布规律张稳军１２张新新１２宋晓龙１２

(１1049008天津大学 建筑工程学院天津　３００３５４２1049008天津大学 滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室天津　３００３５４)

摘　要利用有限元计算软件 ABAQUS建立了环向复合管片与环向斜螺栓接头的三维实体模型考虑复合管片材料的非线性采用弹塑性本构模型分析了环向斜螺栓接头在常温下的力学特性根据 HC升温曲线分析了接头模型的传热特性研究了复合管片衬砌和环向斜螺栓接头在火灾下

的温度分布规律分析结果表明采用高强螺栓能够有效减小接头张开量增大接头刚度在采用

高强螺栓的情况下斜螺栓最大轴应力易在初始阶段达到屈服屈服后接头弯矩和轴力的增大对斜

螺栓的应力影响并不大但对斜螺栓变形影响较大当接头负弯矩从７kN1048944m 增加到１２２kN1048944m接头轴力从３６８kN 增加到７３４kN 时斜螺栓最大应变增加１1049008６倍当接头正弯矩从５３kN1048944m 增

加到１８２kN1048944m接头轴力从９０３kN 增加到１０５６kN 时斜螺栓最大应变增加５1049008９倍常温下接

缝附近斜螺栓的轴应力 呈 现 反 对 称 分 布除 接 缝 外 其 他 部 位 斜 螺 栓 的 轴 应 力 基 本 相 等约 为

４００MPa接缝处轴应力绝对值最大值可达７００MPa火灾情况下手孔处温度上升最快且达到的温

度最高８０min时即可达到１０００接缝处混凝土在１００min后达到稳定温度螺母处混凝土在

１５０min后达到稳定温度稳定温度均为１０００左右关键词隧道工程复合管片斜螺栓接头力学性能火灾温度分布

中图分类号U４５５４３　　　文献标志码A

Mechanicalpropertiesofshieldtunnelwithinclinedboltjointandtemperaturedistributionlawunderfire

ZHANG WenＧjun１２ZHANGXinＧxin１２SONGXiaoＧlong１２

(１SchoolofCivilEngineeringTianjinUniversityTianjin３００３５４China２KeyLaboratoryofCoastCivilStructureSafetyofMinistryofEducationTianjinUniversityTianjin３００３５４China)

AbstractA threeＧdimensionalsolid modelofcircumferentialcompositesegmentsandthecircumferentialinclinedboltedjointwasestablishedusingthefiniteelementcalculationsoftwareABAQUSThe nonlinearity ofthecompositesegment material wasconsideredandtheelastoplasticconstitutivemodelwasadoptedThemechanicalpropertiesofthecircumferentialinclinedboltedjointundernormaltemperaturewereanalyzedAccordingtotheheatingupcurveofHCtheheattransfercharacteristicsofthejointmodelwereanalyzedandthetemperaturedistributionlawsofthecompositesegmentliningandthecircumferentialinclinedboltedjointunderfirewerestudiedAnalysisresultshowsthattheuseofahighＧstrengthboltcaneffectivelyreducetheopeningofthejointandincreasethejointstiffnessForhighＧstrengthboltsthemaximumaxialstressoftheinclinedboltiseasytoyieldattheinitialstageandtheincreasein

交　通　运　输　工　程　学　报 ２０１８年

bendingmomentandaxialforceofthejointhaslittleinfluenceonthestressoftheboltbuthasmoreinfluenceondeformationoftheboltWhenthenegativebending momentofthejointincreasesfrom７kN1048944mto１２２kN1048944mtheaxialforceofthejointincreasesfrom３６８kNto７３４kNandthemaximumstrainoftheinclinedboltincreasesby１1049008６timesWhenthepositivebendingmomentofthejointincreasesfrom５３kN1048944mto１８２kN1048944mandtheaxialforceofthejointincreasesfrom９０３kNto１０５６kNthemaximumstrainoftheinclinedboltincreasesby５1049008９timesUnderthenormaltemperatureaspecialantisymmetricdistributionoftheaxialstressoftheinclinedboltisshownneartheseamTheaxialstressesoftheinclinedboltexceptthejointsareequalisabout４００ MPaandthemaximumabsolutevalueoftheaxialstressatthejointcanreach７００ MPaInafirethefastesttemperatureriseisatthehandholeandifthetemperaturereachesitshighestitcanreach１０００in８０minThetemperatureofconcreteattheseamreachesastabletemperatureafter１００minandatthenutafter１５０minThisstabletemperatureisabout１０００３tabs２８figs３３refsKeywordstunnelengineeringcompositesegmentinclinedboltjointmechanicalproperty

firetemperaturedistributionAuthorresumeZHANG WenＧjun(１９７５Ｇ)maleassociateprofessorPhDwjzhangtjueducn

０　引　言

盾构工法以其对周围环境影响小成形质量高安全可靠施工进度快等优点而越来越多地应用于

城市地铁公路电力通信以及市政污水隧道施工

中[１]目前适用于高水压大土压以及断面多样化

的盾构隧道复合管片已被研发出来如球墨铸铁复

合管片(DRC管片)[２]和钢混复合管片[３]但是新型

复合管片结构形式复杂模型和参数的选取具有不

确定性因此其力学性能还有待进一步深入探讨与

研究同时盾构隧道衬砌结构是由多个管片通过

环向和纵向接头连接而成的不连续性变形体管片

接头的存在削弱了管环结构的整体刚度[４]螺栓孔

会降低管片的承载力裂缝常从螺栓孔处产生然后

破坏不断扩展[５]接头处易发生混凝土应力集中破

坏漏水等病害接头的力学行为将直接影响到隧道

的安全与正常使用性能[６]但是地铁隧道结构采用

柔性接头处理等措施有利于适应地裂缝活动引起的

大变形[７]此外盾构隧道发生火灾时高温会使结

构变形增大承载力下降[８]管片接头作为隧道衬砌

的薄弱环节在火灾情况下成为影响隧道安全的控

制部位因此对复合管片接头的受力特性以及火灾

情况下温度场分布规律的分析是盾构隧道结构设计

的重要组成部分由于足尺寸的管片接头力学试验成本较高同

时由于隧道穿越地层及埋深等变化因素导致试验所

施加荷载很难逼近真实的荷载体系因此目前中国

关于盾构隧道常温下管片接头的性能研究大多为理

论研究和数值模拟并且数值模拟主要以隧道整体

为研究对象或者将接头简化主要研究衬砌以及接

头整体的刚度[９]朱合华等提出了梁接头不连续模

型认为接头具有抗拉伸作用以模拟螺栓的连接利用管片内力的现场实测值来反演确定作用在衬砌

结构上的压力荷载的分布模式与大小[１０]张冬梅等

将接头位置管片间的相互作用离散为一系列由剪切

弹簧和法向弹簧组成的组合弹簧建立了接头的力

学模型[１１]董新平等在基于一定试验结果的基础

上不考虑斜直螺栓的影响提出了可用于分析管片

接头破坏历程的简化解析模型对模型在线性转动接头张开接头屈服等不同阶段的接头截面应力分

布和转动情况进行了分析和推导[１２]张稳军等研究

表明随着弯矩的增大高强螺栓的应力应变增长速

率小于普通螺栓有利于变形控制并且针对盾构隧

道素混凝土管片FRPＧKey新型接头利用有限元软

件 ABAQUS探讨了布置方式对其接头极限承载力

的影响[１３Ｇ１４]火灾高温下盾构隧道接头的研究主要集中在隧

道内温度分布烟雾蔓延通风排烟以及隧道衬砌结

构防火性能等方面Abanto等模拟了隧道火灾后

的温度情况结果表明当汽油引擎的温度设定在

１８００K时由于火灾发生的空间太小在初始火灾

发生后１００s局部温度将超过３０００K[１５]Migoya等

提出了模拟隧道纵向火灾烟气流动的简化模型模型将隧道分为２个区域包括高温烟气对隧道衬砌

８３

第６期 张稳军等盾构隧道斜螺栓接头受力性能与火灾下温度分布规律

的作用区域和向外延伸的扩散区[１６]Yan等研究了

耐火试验试件的选取方法和火灾场景的确定得到

了耐火试验的步骤初步建立了隧道衬砌结构的耐

火试验标准及方法[１７Ｇ１９]郭信君采用试验研究与数

值模拟相结合的方法分析了高温下构件的力学行

为获得了内部温度场分布情况和挠度变化[２０]徐志胜等采用有限元方法通过构建盾构隧道管片衬砌

热力耦合模型分析了衬砌结构内的温度场应力场

变化规律及衬砌结构破坏部位[２１]刘腾等对火灾高

温下盾构隧道管片接头进行了橡胶防水垫性能劣化

试验结果表明影响接头防水性能的因素只有温度

和管片接头变形[２２Ｇ２３]斜螺栓作为一种用钢量少手孔小对截面削弱

较小并且能加快施工进度的盾构隧道常用螺栓[２４]已在实际工程中得到广泛应用但目前以盾构隧道

复合管片斜螺栓接头为主要研究对象建立三维实体

模型进行受力和变形性能数值模拟分析的研究并不

多因此本文针对目前中国单洞单线深埋地铁隧

道以环向斜螺栓接头为研究对象建立盾构隧道环

向复合管片和斜螺栓的三维精细化模型研究对斜

螺栓接头在常温下的受力和变形性能以及火灾情况

下的温度分布

１　数值模型

利用 ABAQUS建立有限元实体模型采用钢

板混凝土复合管片采用壳单元模拟复合管片钢板三维实体单元模拟混凝土和螺栓

１１　管片接头构造及尺寸

Yan等采用２块弧形管片及其接头进行了高温

作用下衬砌接头缩尺试验[１７Ｇ１９]市原三馨等采用

２块直管片及简化接头进行了数值模拟[２５]以此为

基础本文取２块弧形管片及其接头为研究对象进

行足尺寸建模参考郭瑞等的研究[２６Ｇ２７]确定管片

尺寸和螺栓排布方式建立三维复合管片和螺栓模

型管片模型的几何参数见表１管片与接头尺寸

和构造见图１模型装配见图２复合管片钢板与

混凝土构造见图３表１　管片模型几何参数

Tab１　Geometricparametersofsegmentmodel mm

参数 外径 内径 管片厚度 管片宽度

数值 ７５００ ６７００ ４００ １２００

１２　材料参数与本构关系

１２１　混凝土参数与本构关系

混凝土材料在荷载超过一定范围后表现出明

图１　管片与接头尺寸和构造(单位mm)

Fig１　Sizeandstructureofsegmentsandjoints(unitmm)

图２　模型装配

Fig２　Modelassembly

图３　复合管片钢板和混凝土构造

Fig３　Steelplateandconcretestructureofcompositesegment

显的非线性ABAQUS提供了多种能反映混凝土

非线性的模型包括 CapPlasticity模型ConcreteSmearedCracking模型ConcreteDamagePlasticity模

型与DruckerＧPrager(DP)模型本文采用 DP双

曲线强化模型混凝土强度等级为 C５０摩擦角取

５４deg剪胀角取３０deg根据laquo混凝土结构设计规范raquo(GB５００１０mdash２０１０)中提供的 C５０混凝土应力Ｇ应

变关系确定 C５０混凝土单轴受压的应力Ｇ应变曲

线见图４

１２２　钢板和螺栓参数及本构关系

考虑到材料的非线性钢板和螺栓的本构关系

均选用弹塑性双线性等向强化模型塑性阶段弹性

模量取初始弹性模量的１１００[３]参考张稳军等盾

构隧道钢混复合管片的力学性能试验[２８]钢板采用

SS４００级钢根据抗拉试验确定抗拉强度和屈服强

度屈服强度取３２５MPa抗拉强度取４４８MPa弹性模量取２１０GPa泊松比取０３上下面板厚度为

９３

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图４　混凝土压应力Ｇ应变曲线

Fig４　CompressivestressＧstraincurveofconcrete

５mm接头板厚度为１０mm采用壳单元模拟钢板螺栓采用８８级摩擦型高强螺栓其应力Ｇ应变曲线

见图５钢板混凝土以及常温下接头螺栓的材料

参数分别见表２３

图５　螺栓应力Ｇ应变曲线

Fig５　StressＧstraincurveofbolt表２　钢板和混凝土材料参数

Tab２　Materialparametersofsteelplateandconcrete

材料 弹性模量MPa 泊松比 密度(g1048944mm－３)

钢板 ２１０times１０５ ０３ ７８５times１０－３

混凝土 ３４５times１０４ ０２ ２５０times１０－３

表３　接头螺栓参数

Tab３　Parametersofjointbolt

参数公称直径

mm

抗拉强度

MPa

屈服强度

MPa

弹性模量

MPa泊松比

数值 ３０ ８００ ６４０ ２１times１０５ ０３

１３　边界条件和加载方式

１３１　边界条件

建立局部柱坐标系约束管片左端面各个方向

的自由度视为固定端管片右端面允许在径向发生

位移

１３２　加载方式

根据laquo钢结构设计规范raquo(GB５００１７mdash２００３)

８1049008８级高强螺栓预应力为２８０kN采用力加载方式

对螺栓施加预应力隧道结构的拱顶和拱底一般向隧道内侧变形

拱腰则向隧道外侧变形因此规定使管片接头内侧

张开管片内弧面受拉为正弯矩使管片接头外侧张

开管片外弧面受拉为负弯矩正弯矩对应拱顶和

拱底的受力状态负弯矩对应拱腰的受力状态在

进行管片接头试验时常采用千斤顶在管片左右两

端以及上表面施加轴力和弯矩[１８Ｇ１９]或采用预应力

钢绞线施加管片轴力[２９]数值模拟时为避免应力

集中基于圣维南原理将千斤顶和预应力钢绞线作

用转化为均布荷载在管片左右两侧施加端面压力

提供隧道管片接头轴力采用分级加载的方式在管

片上下表面施加面板压力提供接头弯矩研究正弯

矩和负弯矩作用下(即管环不同位置)斜螺栓接头的

受力性能

１４　网格划分

网格划分见图６

图６　管片与螺栓网格划分

Fig６　Meshgenerationofsegmentandbolt

２　常温下斜螺栓管片接头应力与变形

２１　螺栓预应力对接头变形和斜螺栓轴应力的影响

在端面压力为２０８３MPa接头面板上部压力

００７MPa荷载作用下对比分析不施加预应力和施

加预应力２种情况经数值模拟得当螺栓不施加预

０４

第６期 张稳军等盾构隧道斜螺栓接头受力性能与火灾下温度分布规律

应力时管片接头张开量为９２３times１０－１ mm当施加

螺栓预应力时管片接头张开量为２１８times１０－２ mm可见使用高强螺栓可以有效减小接头张开量从而

增大接头刚度有效减少渗漏水等情况对比２种情况下沿斜螺栓轴向各节点的轴应

力见图７可见施加预应力情况下斜螺栓上各节

点的轴应力变化趋势和不施加预应力变化趋势相

同但由于预应力的存在施加预应力情况下斜螺栓

应力更大

２２　负弯矩作用下管片接头和斜螺栓的应力与变形

在施加螺栓预应力为２８０kN 的基础上逐级

施加０００００４１７０８３３１２５０１６６７２０８３MPa的端面压应力使管片接头产生负弯矩向外侧张开管片接头弯矩(负弯矩绝对值)和轴力变化见图８斜螺栓最大轴力和最大轴力截面平均应力变化见图９

图７　斜螺栓上侧各节点轴应力

Fig７　Axialstressesofjointonupsideofinclinedbolt

斜螺栓最大应力和最大应变变化见图１０管片接头

张开量和错台量变化见图１１张开量以管片外侧张

开为负错台量以左侧管片高于右侧管片为正

图８　负弯矩下接头弯矩和轴力

Fig８　Bendingmomentsandaxialforcesofjointsundernegativebendingmoment

图９　负弯矩下斜螺栓最大轴力和最大轴力截面平均应力

Fig９　Maximumaxialforcesandaveragestressesofmaximumaxialforcesectionofinclinedboltundernegativebendingmoment

　　由图８~１１可知施加２８０kN螺栓预应力情况

下当接头实际负弯矩从７kN1048944m增加到１２２kN1048944m接头实际轴力从３６８kN增加到７３４kN 时斜螺栓

最大轴力从１９８６kN 增加到２０９９kN斜螺栓最

１４

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图１０　负弯矩下斜螺栓最大应力和最大应变

Fig１０　Maximumstressesandmaximumstrainsofinclinedboltundernegativebendingmoment

图１１　负弯矩下接头张开量和错台量

Fig１１　Jointopeningsandstaggerquantitiesundernegativebendingmoment

大轴力截面平均应力从２８１MPa增加到２９７MPa斜螺栓最大应力从６４５９MPa增加到６５４３MPa斜螺栓最大应变从０００３３增加到０００５３斜螺栓

最大应 变 增 加 了 １６ 倍接 头 张 开 量 绝 对 值 从

０1049008０００４mm增加到０９１６７mm错台量从０1049008７１３９mm增加到１１２５２mm由此可知当采用高强螺栓存

在预应力时预应力施加结束螺栓的最大应力已达

到屈服强度之后接头轴力和弯矩的变化对螺栓最

大轴力最大轴力截面平均应力以及最大应力的影

响较小对最大应变接头张开量以及错台量的影响

较大说明施加预应力且螺栓局部达到屈服之后外荷载的增加对螺栓应力影响较小但是对接头和螺

栓变形影响较大符合材料弹塑性变化规律

２３　正弯矩作用下管片接头和斜螺栓的应力与变形

在保持螺栓预应力为２８０kN 和端面压力为

２1049008０８３MPa不变的情况下在管片上下面板逐级施

加０２１０２８０３５０４２０４９０５６MPa的竖向

均布荷载使管片接头产生正弯矩向内侧张开管

片接头实际弯矩和轴力见图１２斜螺栓最大轴力和

最大轴力截面平均应力见图１３斜螺栓最大应力和

最大应变见图 １４管片接 头 张 开 量 和 错 台 量 见

图１５张开量以管片内侧张开为正错台量以手孔

侧管片高于另一侧为正由图１２~１５可知施加２８０kN螺栓预应力情况

下当接头实际弯矩从５３kN1048944m增加到１８２kN1048944m接头实际轴力从９０３kN 增加到１０５６kN 时斜螺

栓最大轴力从１６７kN 增加到２７５kN斜螺栓最大

轴力截面平均应力从２３７MPa增加到３８９MPa斜螺栓最大应力从５５８MPa增加到６９３MPa斜螺栓

最大应变从０1049008００４１增加到０1049008０２４３斜螺栓最大应

变增加了５９倍接头张开量从０１０９５mm 增加

到４８３１８ mm错台量从 １０３１０ mm 增加 到

３1049008２０２４mm与负弯矩情况下不同由于初始阶段

斜螺栓最大应力未达到屈服因此斜螺栓应力应

２４

第６期 张稳军等盾构隧道斜螺栓接头受力性能与火灾下温度分布规律

图１２　正弯矩下接头弯矩和轴力

Fig１２　Bendingmomentsandaxialforcesofjointsunderpositivebendingmoment

图１３　正弯矩下斜螺栓最大轴力和最大轴力截面平均应力

Fig１３　Maximumaxialforcesandaveragestressesofmaximumaxialforcesectionofinclinedboltunderpositivebendingmoment

图１４　正弯矩下斜螺栓最大应力和最大应变

Fig１４　Maximumstressesandmaximumstrainsofinclinedboltunderpositivebendingmoment

变与接头变形变化均较大

２４　斜螺栓轴应力沿螺栓轴线变化规律

在接头 实 际 正 弯 矩 为 １６６kN1048944m轴 力 为

９６６kN和 实 际 负 弯 矩 为 １６８ kN1048944 m轴 力 为

９５６kN情况下得到斜螺栓的轴应力分布见图１６可知斜螺栓轴应力在接缝附近呈现反对称分布并且在负弯矩作用下最大应力应变出现在螺栓

上侧在正弯矩作用下最大应力应变出现在螺

３４

交　通　运　输　工　程　学　报 ２０１８年

图１５　正弯矩下管片接头张开量和错台量

Fig１５　Jointopeningsandstaggerquantitiesunderpositivebendingmoment

图１６　斜螺栓轴应力分布

Fig１６　Axialstressdistributionsofinclinedbolt

栓下侧沿斜螺栓轴线在斜螺栓的上侧和下侧(即斜

螺栓近管环外侧和内侧)各取一条路径分析螺栓

轴应力沿轴线的分布规律见图１７可知变化规

律与云图一致在管片接缝附近斜螺栓的应力达

到了最大值此外在接缝附近斜螺栓上下两侧

的应力发生了明显的突变除接缝外其他部位斜

螺栓的主应力同一横截面基本相等轴应力约为

４００ MPa接 缝 处 轴 应 力 绝 对 值 最 大 可 达

７００MPa并且当弯矩绝对值相同时负弯矩作用

下接缝处螺栓轴应力绝对值略大于正弯矩作用下

轴应力

图１７　斜螺栓轴应力沿轴线变化曲线

Fig１７　Axialstresschangecurvesalongaxisofinclinedbolt

３　火灾情况下温度分布

３１　混凝土热工参数

３１１　混凝土导热系数随温度的变化

根据欧洲规范(Eurocode２DesignofConcreteStructures)混凝土的导热系数常按硅质钙质轻质３类不同骨料成分分别给出计算公式采用硅质

骨料导热系数计算公式

λ１ ＝２－０２４T１

１２０＋００１２ T１

１２０aelig

egraveccedil

ouml

oslashdivide

２

２０leT１ le１２００ (１)式中λ１ 为混凝土的导热系数T１ 为混凝土温度

导热系数与温度的关系见图１８３１２　混凝土比热容随温度的变化

根据欧洲规范(Eurocode２DesignofConcreteStructures)高温下混凝土的比热容计算公式为

C１ ＝９００＋８０T１

１２０－４ T１

１２０aelig

egraveccedil

ouml

oslashdivide

２

２０leT１ le１２００ (２)

４４

第６期 张稳军等盾构隧道斜螺栓接头受力性能与火灾下温度分布规律

图１８　混凝土导热系数与温度关系

Fig１８　Relationshipbetweenthermalconductivityandtemperatureofconcrete

式中C１ 为混凝土的比热容比热容与温度的关系见图１９

图１９　混凝土比热容与温度关系

Fig１９　Relationshipbetweenspecificheatcapacityand

temperatureofconcrete

３２　钢的热工参数

３２１　钢的导热系数随温度的变化

钢的导热系数计算公式为

λ２ ＝５２０８－５０５times１０－５T２２ (３)

式中λ２ 为钢的导热系数T２ 为钢材温度导热系数与温度的关系见图２０

３２２　钢的比热容随温度的变化

钢的比热容计算公式为

C２ ＝４８３＋８０２times１０－４T２２ (４)

式中C２ 为钢的比热容比热容与温度的关系见图２１

３３　温度荷载的施加

对盾构隧道复合管片斜螺栓接头进行火灾情况

下的模拟已知隧道内火灾温度隧道内的高温气体

和衬砌的对流换热系数也可以得到故边界条件属

图２０　钢的导热系数与温度关系

Fig２０　Relationshipbetweenthermalconductivityand

temperatureofsteel

图２１　钢的比热容与温度关系

Fig２１　Relationshipbetweenspecificheat

capacityandtemperatureofsteel

于第３类边界条件

３３１　隧道内升温曲线的确定

要研究火灾对隧道管片及其接头的影响就必

须知道隧道内火灾时的升温曲线升温曲线受多种

因素的影响目前国内外常用的升温曲线主要有３种ISO８３４标准升温曲线RABT 标准升温曲线和

HC标准升温曲线HC标准升温曲线起初用于石

化工程和海洋工程后由于较能反映隧道火灾的升

温特征而被广泛应用到隧道工程的抗火性能研究

中[１６]故本次模拟采用 HC标准升温曲线温度随

时间表达式为

Tt＝T０＋１０８０(１－０３２５e－０１６７t－０６７５e－２５t)(５)式中t为时间T０ 为隧道初始温度本文为２０Tt

为t时刻隧道内的最高温度即环境温度

HC升温曲线见图２２

３３２　对流换热系数的确定

本文在参考了文献[４３０Ｇ３２]的基础上对流换

热系数采用由段文玺[３３]建议的混凝土与高温烟气

５４

交　通　运　输　工　程　学　报 ２０１８年

图２２　HC升温曲线

Fig２２　HeatingupcurveofHC

之间的对流换热系数所拟合的公式

h＝７０５０９７eT３７２５５１９５＋０８４１８４ (６)式中h为对流换热系数T 为热源温度

受火面对流换热系数随温度变化曲线见图２３

图２３　对流换热系数曲线

Fig２３　Curveofconvectiveheattransfercoefficient

非受火面环境温度为２０取h＝１０W1048944(m２1048944)－１

３４　温度场分布规律

在 ABAQUS中采用heattransfer分析步对管

片和斜螺栓接头进行温度分析对于 HC标准升温

曲线隧道内部热源温度从开始加热到达到最高温

度１１００大约需要３０min的时间随后温度保持

稳定初始温度场取２０在受热３h之后得到

管片温度分布见图２４接头细节温度分布见图２５由图２４２５可以看出当受热３h后管片内部和接

缝温度均明显升高最高温度高于１０００说明管

片与隧道内高温气体进行了充分的热交换可见管

片手孔部位温度较高在实际工程中必须进行防火

处理在手孔管片接缝以及螺母处分别取点分析其

温度变化得到其温度变化规律见图２６可见手孔

图２４　管片温度分布

Fig２４　Distributionofsegmenttemperature

图２５　接头温度分布

Fig２５　Distributionofjointtemperature

图２６　螺母手孔和接缝温度曲线

Fig２６　Temperaturecurvesofnuthandholeandseam

处和接缝处混凝土升温较快在８０１００min后已经

达到稳定温度螺母处在１５０min后达到稳定温度稳定温度均在１０００左右虽然３个节点均为直

接受火面节点这种差异可能是由于材料的不同以

及手孔处热气较为集中导致的取螺栓上沿轴线等

距的一系列点进行温度分布规律分析得到斜螺栓

沿轴线各节点温度随受热时间变化见图２７斜螺栓

沿轴线各节点温度随距螺母端距离变化见图２８可以看出整体上距螺母端越远温度越低升温速度

越慢但是在接缝处螺栓的温度会比附近的温度高

４　结　语

(１)使用高强螺栓可以有效减小接头张开量从而增大接头刚度有效减少渗漏水等情况施加预

６４

第６期 张稳军等盾构隧道斜螺栓接头受力性能与火灾下温度分布规律

图２７　斜螺栓沿轴线各节点温度随受热时间变化曲线

Fig２７　Temperaturevariationcurvesofeachnodealongaxisof

inclinedboltwithheatingtime

图２８　斜螺栓沿轴线各节点温度随距螺母端距离变化曲线

Fig２８　Temperaturevariationcurvesofeachnodealongaxisof

inclinedboltwithdistancefromnut

应力情况下初始阶段螺栓局部最大应力易达到屈

服之后接头弯矩和轴力的增加对斜螺栓应力影响

较小但是对斜螺栓应变影响较大若初始阶段斜螺

栓最大应力未达到屈服则斜螺栓应力应变与接头

变形变化均较大(２)常温下由于斜螺栓特有的倾斜角度在接缝

附近斜螺栓上下两侧的应力发生了明显的突变接缝附近斜螺栓的轴应力呈现反对称分布并且在管片

接缝附近斜螺栓的应力达到了最大值除接缝外其

他部位斜螺栓的轴应力基本相等约为４００MPa接缝处斜螺栓轴应力绝对值最大可达７００MPa

(３)火灾情况下手孔处温度上升最快且达到的

温度最高８０min时即可达到１０００需进行防火

处理接缝处混凝土在１００min后达到稳定温度螺母处混凝土在１５０min后达到稳定温度稳定温

度均在１０００左右(４)本文未对高温下以及高温后复合管片斜螺

栓接头的损伤破坏过程进行分析因此需要对斜螺

栓接头在火灾情况下的力学性能及相关内容进行进

一步研究

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laquo交通运输工程学报raquo２０１９年征订通知

laquo交通运输工程学报raquo是由国家教育部主管长安大学主办国务院学位委员会交通运输工程学科评

议组东南大学与西南交通大学共同协办的交通运输领域的学术理论刊物两院院士沈志云教授任名誉

主任委员主要刊载道路与铁道工程载运工具运用工程交通运输规划与管理交通信息工程与控制等

领域高水平的学术论文和重大工程实践项目产生的论文主要读者对象为国内外交通运输领域的科研

人员工程技术人员及大专院校相关专业的师生laquo交通运输工程学报raquo为双月刊大１６开本１９２个页码每期定价１００００元全年共６００００元

可到当地邮局订阅邮发代号为５２Ｇ１９５也可直接汇款至laquo交通运输工程学报raquo编辑部订阅开户银行中国银行西安翠华路支行　　　　　　　　　　账　　号１０２４０７３３７２５８账　　户长安大学杂志社 邮政编码７１００６４联 系 人胡广平 电　　话０２９Ｇ８２３３４３８２地　　址陕西省西安市南二环路中段长安大学杂志社 EＧmailjygcchdeducn

９４

交　通　运　输　工　程　学　报 ２０１８年

bendingmomentandaxialforceofthejointhaslittleinfluenceonthestressoftheboltbuthasmoreinfluenceondeformationoftheboltWhenthenegativebending momentofthejointincreasesfrom７kN1048944mto１２２kN1048944mtheaxialforceofthejointincreasesfrom３６８kNto７３４kNandthemaximumstrainoftheinclinedboltincreasesby１1049008６timesWhenthepositivebendingmomentofthejointincreasesfrom５３kN1048944mto１８２kN1048944mandtheaxialforceofthejointincreasesfrom９０３kNto１０５６kNthemaximumstrainoftheinclinedboltincreasesby５1049008９timesUnderthenormaltemperatureaspecialantisymmetricdistributionoftheaxialstressoftheinclinedboltisshownneartheseamTheaxialstressesoftheinclinedboltexceptthejointsareequalisabout４００ MPaandthemaximumabsolutevalueoftheaxialstressatthejointcanreach７００ MPaInafirethefastesttemperatureriseisatthehandholeandifthetemperaturereachesitshighestitcanreach１０００in８０minThetemperatureofconcreteattheseamreachesastabletemperatureafter１００minandatthenutafter１５０minThisstabletemperatureisabout１０００３tabs２８figs３３refsKeywordstunnelengineeringcompositesegmentinclinedboltjointmechanicalproperty

firetemperaturedistributionAuthorresumeZHANG WenＧjun(１９７５Ｇ)maleassociateprofessorPhDwjzhangtjueducn

０　引　言

盾构工法以其对周围环境影响小成形质量高安全可靠施工进度快等优点而越来越多地应用于

城市地铁公路电力通信以及市政污水隧道施工

中[１]目前适用于高水压大土压以及断面多样化

的盾构隧道复合管片已被研发出来如球墨铸铁复

合管片(DRC管片)[２]和钢混复合管片[３]但是新型

复合管片结构形式复杂模型和参数的选取具有不

确定性因此其力学性能还有待进一步深入探讨与

研究同时盾构隧道衬砌结构是由多个管片通过

环向和纵向接头连接而成的不连续性变形体管片

接头的存在削弱了管环结构的整体刚度[４]螺栓孔

会降低管片的承载力裂缝常从螺栓孔处产生然后

破坏不断扩展[５]接头处易发生混凝土应力集中破

坏漏水等病害接头的力学行为将直接影响到隧道

的安全与正常使用性能[６]但是地铁隧道结构采用

柔性接头处理等措施有利于适应地裂缝活动引起的

大变形[７]此外盾构隧道发生火灾时高温会使结

构变形增大承载力下降[８]管片接头作为隧道衬砌

的薄弱环节在火灾情况下成为影响隧道安全的控

制部位因此对复合管片接头的受力特性以及火灾

情况下温度场分布规律的分析是盾构隧道结构设计

的重要组成部分由于足尺寸的管片接头力学试验成本较高同

时由于隧道穿越地层及埋深等变化因素导致试验所

施加荷载很难逼近真实的荷载体系因此目前中国

关于盾构隧道常温下管片接头的性能研究大多为理

论研究和数值模拟并且数值模拟主要以隧道整体

为研究对象或者将接头简化主要研究衬砌以及接

头整体的刚度[９]朱合华等提出了梁接头不连续模

型认为接头具有抗拉伸作用以模拟螺栓的连接利用管片内力的现场实测值来反演确定作用在衬砌

结构上的压力荷载的分布模式与大小[１０]张冬梅等

将接头位置管片间的相互作用离散为一系列由剪切

弹簧和法向弹簧组成的组合弹簧建立了接头的力

学模型[１１]董新平等在基于一定试验结果的基础

上不考虑斜直螺栓的影响提出了可用于分析管片

接头破坏历程的简化解析模型对模型在线性转动接头张开接头屈服等不同阶段的接头截面应力分

布和转动情况进行了分析和推导[１２]张稳军等研究

表明随着弯矩的增大高强螺栓的应力应变增长速

率小于普通螺栓有利于变形控制并且针对盾构隧

道素混凝土管片FRPＧKey新型接头利用有限元软

件 ABAQUS探讨了布置方式对其接头极限承载力

的影响[１３Ｇ１４]火灾高温下盾构隧道接头的研究主要集中在隧

道内温度分布烟雾蔓延通风排烟以及隧道衬砌结

构防火性能等方面Abanto等模拟了隧道火灾后

的温度情况结果表明当汽油引擎的温度设定在

１８００K时由于火灾发生的空间太小在初始火灾

发生后１００s局部温度将超过３０００K[１５]Migoya等

提出了模拟隧道纵向火灾烟气流动的简化模型模型将隧道分为２个区域包括高温烟气对隧道衬砌

８３

第６期 张稳军等盾构隧道斜螺栓接头受力性能与火灾下温度分布规律

的作用区域和向外延伸的扩散区[１６]Yan等研究了

耐火试验试件的选取方法和火灾场景的确定得到

了耐火试验的步骤初步建立了隧道衬砌结构的耐

火试验标准及方法[１７Ｇ１９]郭信君采用试验研究与数

值模拟相结合的方法分析了高温下构件的力学行

为获得了内部温度场分布情况和挠度变化[２０]徐志胜等采用有限元方法通过构建盾构隧道管片衬砌

热力耦合模型分析了衬砌结构内的温度场应力场

变化规律及衬砌结构破坏部位[２１]刘腾等对火灾高

温下盾构隧道管片接头进行了橡胶防水垫性能劣化

试验结果表明影响接头防水性能的因素只有温度

和管片接头变形[２２Ｇ２３]斜螺栓作为一种用钢量少手孔小对截面削弱

较小并且能加快施工进度的盾构隧道常用螺栓[２４]已在实际工程中得到广泛应用但目前以盾构隧道

复合管片斜螺栓接头为主要研究对象建立三维实体

模型进行受力和变形性能数值模拟分析的研究并不

多因此本文针对目前中国单洞单线深埋地铁隧

道以环向斜螺栓接头为研究对象建立盾构隧道环

向复合管片和斜螺栓的三维精细化模型研究对斜

螺栓接头在常温下的受力和变形性能以及火灾情况

下的温度分布

１　数值模型

利用 ABAQUS建立有限元实体模型采用钢

板混凝土复合管片采用壳单元模拟复合管片钢板三维实体单元模拟混凝土和螺栓

１１　管片接头构造及尺寸

Yan等采用２块弧形管片及其接头进行了高温

作用下衬砌接头缩尺试验[１７Ｇ１９]市原三馨等采用

２块直管片及简化接头进行了数值模拟[２５]以此为

基础本文取２块弧形管片及其接头为研究对象进

行足尺寸建模参考郭瑞等的研究[２６Ｇ２７]确定管片

尺寸和螺栓排布方式建立三维复合管片和螺栓模

型管片模型的几何参数见表１管片与接头尺寸

和构造见图１模型装配见图２复合管片钢板与

混凝土构造见图３表１　管片模型几何参数

Tab１　Geometricparametersofsegmentmodel mm

参数 外径 内径 管片厚度 管片宽度

数值 ７５００ ６７００ ４００ １２００

１２　材料参数与本构关系

１２１　混凝土参数与本构关系

混凝土材料在荷载超过一定范围后表现出明

图１　管片与接头尺寸和构造(单位mm)

Fig１　Sizeandstructureofsegmentsandjoints(unitmm)

图２　模型装配

Fig２　Modelassembly

图３　复合管片钢板和混凝土构造

Fig３　Steelplateandconcretestructureofcompositesegment

显的非线性ABAQUS提供了多种能反映混凝土

非线性的模型包括 CapPlasticity模型ConcreteSmearedCracking模型ConcreteDamagePlasticity模

型与DruckerＧPrager(DP)模型本文采用 DP双

曲线强化模型混凝土强度等级为 C５０摩擦角取

５４deg剪胀角取３０deg根据laquo混凝土结构设计规范raquo(GB５００１０mdash２０１０)中提供的 C５０混凝土应力Ｇ应

变关系确定 C５０混凝土单轴受压的应力Ｇ应变曲

线见图４

１２２　钢板和螺栓参数及本构关系

考虑到材料的非线性钢板和螺栓的本构关系

均选用弹塑性双线性等向强化模型塑性阶段弹性

模量取初始弹性模量的１１００[３]参考张稳军等盾

构隧道钢混复合管片的力学性能试验[２８]钢板采用

SS４００级钢根据抗拉试验确定抗拉强度和屈服强

度屈服强度取３２５MPa抗拉强度取４４８MPa弹性模量取２１０GPa泊松比取０３上下面板厚度为

９３

交　通　运　输　工　程　学　报 ２０１８年

图４　混凝土压应力Ｇ应变曲线

Fig４　CompressivestressＧstraincurveofconcrete

５mm接头板厚度为１０mm采用壳单元模拟钢板螺栓采用８８级摩擦型高强螺栓其应力Ｇ应变曲线

见图５钢板混凝土以及常温下接头螺栓的材料

参数分别见表２３

图５　螺栓应力Ｇ应变曲线

Fig５　StressＧstraincurveofbolt表２　钢板和混凝土材料参数

Tab２　Materialparametersofsteelplateandconcrete

材料 弹性模量MPa 泊松比 密度(g1048944mm－３)

钢板 ２１０times１０５ ０３ ７８５times１０－３

混凝土 ３４５times１０４ ０２ ２５０times１０－３

表３　接头螺栓参数

Tab３　Parametersofjointbolt

参数公称直径

mm

抗拉强度

MPa

屈服强度

MPa

弹性模量

MPa泊松比

数值 ３０ ８００ ６４０ ２１times１０５ ０３

１３　边界条件和加载方式

１３１　边界条件

建立局部柱坐标系约束管片左端面各个方向

的自由度视为固定端管片右端面允许在径向发生

位移

１３２　加载方式

根据laquo钢结构设计规范raquo(GB５００１７mdash２００３)

８1049008８级高强螺栓预应力为２８０kN采用力加载方式

对螺栓施加预应力隧道结构的拱顶和拱底一般向隧道内侧变形

拱腰则向隧道外侧变形因此规定使管片接头内侧

张开管片内弧面受拉为正弯矩使管片接头外侧张

开管片外弧面受拉为负弯矩正弯矩对应拱顶和

拱底的受力状态负弯矩对应拱腰的受力状态在

进行管片接头试验时常采用千斤顶在管片左右两

端以及上表面施加轴力和弯矩[１８Ｇ１９]或采用预应力

钢绞线施加管片轴力[２９]数值模拟时为避免应力

集中基于圣维南原理将千斤顶和预应力钢绞线作

用转化为均布荷载在管片左右两侧施加端面压力

提供隧道管片接头轴力采用分级加载的方式在管

片上下表面施加面板压力提供接头弯矩研究正弯

矩和负弯矩作用下(即管环不同位置)斜螺栓接头的

受力性能

１４　网格划分

网格划分见图６

图６　管片与螺栓网格划分

Fig６　Meshgenerationofsegmentandbolt

２　常温下斜螺栓管片接头应力与变形

２１　螺栓预应力对接头变形和斜螺栓轴应力的影响

在端面压力为２０８３MPa接头面板上部压力

００７MPa荷载作用下对比分析不施加预应力和施

加预应力２种情况经数值模拟得当螺栓不施加预

０４

第６期 张稳军等盾构隧道斜螺栓接头受力性能与火灾下温度分布规律

应力时管片接头张开量为９２３times１０－１ mm当施加

螺栓预应力时管片接头张开量为２１８times１０－２ mm可见使用高强螺栓可以有效减小接头张开量从而

增大接头刚度有效减少渗漏水等情况对比２种情况下沿斜螺栓轴向各节点的轴应

力见图７可见施加预应力情况下斜螺栓上各节

点的轴应力变化趋势和不施加预应力变化趋势相

同但由于预应力的存在施加预应力情况下斜螺栓

应力更大

２２　负弯矩作用下管片接头和斜螺栓的应力与变形

在施加螺栓预应力为２８０kN 的基础上逐级

施加０００００４１７０８３３１２５０１６６７２０８３MPa的端面压应力使管片接头产生负弯矩向外侧张开管片接头弯矩(负弯矩绝对值)和轴力变化见图８斜螺栓最大轴力和最大轴力截面平均应力变化见图９

图７　斜螺栓上侧各节点轴应力

Fig７　Axialstressesofjointonupsideofinclinedbolt

斜螺栓最大应力和最大应变变化见图１０管片接头

张开量和错台量变化见图１１张开量以管片外侧张

开为负错台量以左侧管片高于右侧管片为正

图８　负弯矩下接头弯矩和轴力

Fig８　Bendingmomentsandaxialforcesofjointsundernegativebendingmoment

图９　负弯矩下斜螺栓最大轴力和最大轴力截面平均应力

Fig９　Maximumaxialforcesandaveragestressesofmaximumaxialforcesectionofinclinedboltundernegativebendingmoment

　　由图８~１１可知施加２８０kN螺栓预应力情况

下当接头实际负弯矩从７kN1048944m增加到１２２kN1048944m接头实际轴力从３６８kN增加到７３４kN 时斜螺栓

最大轴力从１９８６kN 增加到２０９９kN斜螺栓最

１４

交　通　运　输　工　程　学　报 ２０１８年

图１０　负弯矩下斜螺栓最大应力和最大应变

Fig１０　Maximumstressesandmaximumstrainsofinclinedboltundernegativebendingmoment

图１１　负弯矩下接头张开量和错台量

Fig１１　Jointopeningsandstaggerquantitiesundernegativebendingmoment

大轴力截面平均应力从２８１MPa增加到２９７MPa斜螺栓最大应力从６４５９MPa增加到６５４３MPa斜螺栓最大应变从０００３３增加到０００５３斜螺栓

最大应 变 增 加 了 １６ 倍接 头 张 开 量 绝 对 值 从

０1049008０００４mm增加到０９１６７mm错台量从０1049008７１３９mm增加到１１２５２mm由此可知当采用高强螺栓存

在预应力时预应力施加结束螺栓的最大应力已达

到屈服强度之后接头轴力和弯矩的变化对螺栓最

大轴力最大轴力截面平均应力以及最大应力的影

响较小对最大应变接头张开量以及错台量的影响

较大说明施加预应力且螺栓局部达到屈服之后外荷载的增加对螺栓应力影响较小但是对接头和螺

栓变形影响较大符合材料弹塑性变化规律

２３　正弯矩作用下管片接头和斜螺栓的应力与变形

在保持螺栓预应力为２８０kN 和端面压力为

２1049008０８３MPa不变的情况下在管片上下面板逐级施

加０２１０２８０３５０４２０４９０５６MPa的竖向

均布荷载使管片接头产生正弯矩向内侧张开管

片接头实际弯矩和轴力见图１２斜螺栓最大轴力和

最大轴力截面平均应力见图１３斜螺栓最大应力和

最大应变见图 １４管片接 头 张 开 量 和 错 台 量 见

图１５张开量以管片内侧张开为正错台量以手孔

侧管片高于另一侧为正由图１２~１５可知施加２８０kN螺栓预应力情况

下当接头实际弯矩从５３kN1048944m增加到１８２kN1048944m接头实际轴力从９０３kN 增加到１０５６kN 时斜螺

栓最大轴力从１６７kN 增加到２７５kN斜螺栓最大

轴力截面平均应力从２３７MPa增加到３８９MPa斜螺栓最大应力从５５８MPa增加到６９３MPa斜螺栓

最大应变从０1049008００４１增加到０1049008０２４３斜螺栓最大应

变增加了５９倍接头张开量从０１０９５mm 增加

到４８３１８ mm错台量从 １０３１０ mm 增加 到

３1049008２０２４mm与负弯矩情况下不同由于初始阶段

斜螺栓最大应力未达到屈服因此斜螺栓应力应

２４

第６期 张稳军等盾构隧道斜螺栓接头受力性能与火灾下温度分布规律

图１２　正弯矩下接头弯矩和轴力

Fig１２　Bendingmomentsandaxialforcesofjointsunderpositivebendingmoment

图１３　正弯矩下斜螺栓最大轴力和最大轴力截面平均应力

Fig１３　Maximumaxialforcesandaveragestressesofmaximumaxialforcesectionofinclinedboltunderpositivebendingmoment

图１４　正弯矩下斜螺栓最大应力和最大应变

Fig１４　Maximumstressesandmaximumstrainsofinclinedboltunderpositivebendingmoment

变与接头变形变化均较大

２４　斜螺栓轴应力沿螺栓轴线变化规律

在接头 实 际 正 弯 矩 为 １６６kN1048944m轴 力 为

９６６kN和 实 际 负 弯 矩 为 １６８ kN1048944 m轴 力 为

９５６kN情况下得到斜螺栓的轴应力分布见图１６可知斜螺栓轴应力在接缝附近呈现反对称分布并且在负弯矩作用下最大应力应变出现在螺栓

上侧在正弯矩作用下最大应力应变出现在螺

３４

交　通　运　输　工　程　学　报 ２０１８年

图１５　正弯矩下管片接头张开量和错台量

Fig１５　Jointopeningsandstaggerquantitiesunderpositivebendingmoment

图１６　斜螺栓轴应力分布

Fig１６　Axialstressdistributionsofinclinedbolt

栓下侧沿斜螺栓轴线在斜螺栓的上侧和下侧(即斜

螺栓近管环外侧和内侧)各取一条路径分析螺栓

轴应力沿轴线的分布规律见图１７可知变化规

律与云图一致在管片接缝附近斜螺栓的应力达

到了最大值此外在接缝附近斜螺栓上下两侧

的应力发生了明显的突变除接缝外其他部位斜

螺栓的主应力同一横截面基本相等轴应力约为

４００ MPa接 缝 处 轴 应 力 绝 对 值 最 大 可 达

７００MPa并且当弯矩绝对值相同时负弯矩作用

下接缝处螺栓轴应力绝对值略大于正弯矩作用下

轴应力

图１７　斜螺栓轴应力沿轴线变化曲线

Fig１７　Axialstresschangecurvesalongaxisofinclinedbolt

３　火灾情况下温度分布

３１　混凝土热工参数

３１１　混凝土导热系数随温度的变化

根据欧洲规范(Eurocode２DesignofConcreteStructures)混凝土的导热系数常按硅质钙质轻质３类不同骨料成分分别给出计算公式采用硅质

骨料导热系数计算公式

λ１ ＝２－０２４T１

１２０＋００１２ T１

１２０aelig

egraveccedil

ouml

oslashdivide

２

２０leT１ le１２００ (１)式中λ１ 为混凝土的导热系数T１ 为混凝土温度

导热系数与温度的关系见图１８３１２　混凝土比热容随温度的变化

根据欧洲规范(Eurocode２DesignofConcreteStructures)高温下混凝土的比热容计算公式为

C１ ＝９００＋８０T１

１２０－４ T１

１２０aelig

egraveccedil

ouml

oslashdivide

２

２０leT１ le１２００ (２)

４４

第６期 张稳军等盾构隧道斜螺栓接头受力性能与火灾下温度分布规律

图１８　混凝土导热系数与温度关系

Fig１８　Relationshipbetweenthermalconductivityandtemperatureofconcrete

式中C１ 为混凝土的比热容比热容与温度的关系见图１９

图１９　混凝土比热容与温度关系

Fig１９　Relationshipbetweenspecificheatcapacityand

temperatureofconcrete

３２　钢的热工参数

３２１　钢的导热系数随温度的变化

钢的导热系数计算公式为

λ２ ＝５２０８－５０５times１０－５T２２ (３)

式中λ２ 为钢的导热系数T２ 为钢材温度导热系数与温度的关系见图２０

３２２　钢的比热容随温度的变化

钢的比热容计算公式为

C２ ＝４８３＋８０２times１０－４T２２ (４)

式中C２ 为钢的比热容比热容与温度的关系见图２１

３３　温度荷载的施加

对盾构隧道复合管片斜螺栓接头进行火灾情况

下的模拟已知隧道内火灾温度隧道内的高温气体

和衬砌的对流换热系数也可以得到故边界条件属

图２０　钢的导热系数与温度关系

Fig２０　Relationshipbetweenthermalconductivityand

temperatureofsteel

图２１　钢的比热容与温度关系

Fig２１　Relationshipbetweenspecificheat

capacityandtemperatureofsteel

于第３类边界条件

３３１　隧道内升温曲线的确定

要研究火灾对隧道管片及其接头的影响就必

须知道隧道内火灾时的升温曲线升温曲线受多种

因素的影响目前国内外常用的升温曲线主要有３种ISO８３４标准升温曲线RABT 标准升温曲线和

HC标准升温曲线HC标准升温曲线起初用于石

化工程和海洋工程后由于较能反映隧道火灾的升

温特征而被广泛应用到隧道工程的抗火性能研究

中[１６]故本次模拟采用 HC标准升温曲线温度随

时间表达式为

Tt＝T０＋１０８０(１－０３２５e－０１６７t－０６７５e－２５t)(５)式中t为时间T０ 为隧道初始温度本文为２０Tt

为t时刻隧道内的最高温度即环境温度

HC升温曲线见图２２

３３２　对流换热系数的确定

本文在参考了文献[４３０Ｇ３２]的基础上对流换

热系数采用由段文玺[３３]建议的混凝土与高温烟气

５４

交　通　运　输　工　程　学　报 ２０１８年

图２２　HC升温曲线

Fig２２　HeatingupcurveofHC

之间的对流换热系数所拟合的公式

h＝７０５０９７eT３７２５５１９５＋０８４１８４ (６)式中h为对流换热系数T 为热源温度

受火面对流换热系数随温度变化曲线见图２３

图２３　对流换热系数曲线

Fig２３　Curveofconvectiveheattransfercoefficient

非受火面环境温度为２０取h＝１０W1048944(m２1048944)－１

３４　温度场分布规律

在 ABAQUS中采用heattransfer分析步对管

片和斜螺栓接头进行温度分析对于 HC标准升温

曲线隧道内部热源温度从开始加热到达到最高温

度１１００大约需要３０min的时间随后温度保持

稳定初始温度场取２０在受热３h之后得到

管片温度分布见图２４接头细节温度分布见图２５由图２４２５可以看出当受热３h后管片内部和接

缝温度均明显升高最高温度高于１０００说明管

片与隧道内高温气体进行了充分的热交换可见管

片手孔部位温度较高在实际工程中必须进行防火

处理在手孔管片接缝以及螺母处分别取点分析其

温度变化得到其温度变化规律见图２６可见手孔

图２４　管片温度分布

Fig２４　Distributionofsegmenttemperature

图２５　接头温度分布

Fig２５　Distributionofjointtemperature

图２６　螺母手孔和接缝温度曲线

Fig２６　Temperaturecurvesofnuthandholeandseam

处和接缝处混凝土升温较快在８０１００min后已经

达到稳定温度螺母处在１５０min后达到稳定温度稳定温度均在１０００左右虽然３个节点均为直

接受火面节点这种差异可能是由于材料的不同以

及手孔处热气较为集中导致的取螺栓上沿轴线等

距的一系列点进行温度分布规律分析得到斜螺栓

沿轴线各节点温度随受热时间变化见图２７斜螺栓

沿轴线各节点温度随距螺母端距离变化见图２８可以看出整体上距螺母端越远温度越低升温速度

越慢但是在接缝处螺栓的温度会比附近的温度高

４　结　语

(１)使用高强螺栓可以有效减小接头张开量从而增大接头刚度有效减少渗漏水等情况施加预

６４

第６期 张稳军等盾构隧道斜螺栓接头受力性能与火灾下温度分布规律

图２７　斜螺栓沿轴线各节点温度随受热时间变化曲线

Fig２７　Temperaturevariationcurvesofeachnodealongaxisof

inclinedboltwithheatingtime

图２８　斜螺栓沿轴线各节点温度随距螺母端距离变化曲线

Fig２８　Temperaturevariationcurvesofeachnodealongaxisof

inclinedboltwithdistancefromnut

应力情况下初始阶段螺栓局部最大应力易达到屈

服之后接头弯矩和轴力的增加对斜螺栓应力影响

较小但是对斜螺栓应变影响较大若初始阶段斜螺

栓最大应力未达到屈服则斜螺栓应力应变与接头

变形变化均较大(２)常温下由于斜螺栓特有的倾斜角度在接缝

附近斜螺栓上下两侧的应力发生了明显的突变接缝附近斜螺栓的轴应力呈现反对称分布并且在管片

接缝附近斜螺栓的应力达到了最大值除接缝外其

他部位斜螺栓的轴应力基本相等约为４００MPa接缝处斜螺栓轴应力绝对值最大可达７００MPa

(３)火灾情况下手孔处温度上升最快且达到的

温度最高８０min时即可达到１０００需进行防火

处理接缝处混凝土在１００min后达到稳定温度螺母处混凝土在１５０min后达到稳定温度稳定温

度均在１０００左右(４)本文未对高温下以及高温后复合管片斜螺

栓接头的损伤破坏过程进行分析因此需要对斜螺

栓接头在火灾情况下的力学性能及相关内容进行进

一步研究

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laquo交通运输工程学报raquo２０１９年征订通知

laquo交通运输工程学报raquo是由国家教育部主管长安大学主办国务院学位委员会交通运输工程学科评

议组东南大学与西南交通大学共同协办的交通运输领域的学术理论刊物两院院士沈志云教授任名誉

主任委员主要刊载道路与铁道工程载运工具运用工程交通运输规划与管理交通信息工程与控制等

领域高水平的学术论文和重大工程实践项目产生的论文主要读者对象为国内外交通运输领域的科研

人员工程技术人员及大专院校相关专业的师生laquo交通运输工程学报raquo为双月刊大１６开本１９２个页码每期定价１００００元全年共６００００元

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９４

第６期 张稳军等盾构隧道斜螺栓接头受力性能与火灾下温度分布规律

的作用区域和向外延伸的扩散区[１６]Yan等研究了

耐火试验试件的选取方法和火灾场景的确定得到

了耐火试验的步骤初步建立了隧道衬砌结构的耐

火试验标准及方法[１７Ｇ１９]郭信君采用试验研究与数

值模拟相结合的方法分析了高温下构件的力学行

为获得了内部温度场分布情况和挠度变化[２０]徐志胜等采用有限元方法通过构建盾构隧道管片衬砌

热力耦合模型分析了衬砌结构内的温度场应力场

变化规律及衬砌结构破坏部位[２１]刘腾等对火灾高

温下盾构隧道管片接头进行了橡胶防水垫性能劣化

试验结果表明影响接头防水性能的因素只有温度

和管片接头变形[２２Ｇ２３]斜螺栓作为一种用钢量少手孔小对截面削弱

较小并且能加快施工进度的盾构隧道常用螺栓[２４]已在实际工程中得到广泛应用但目前以盾构隧道

复合管片斜螺栓接头为主要研究对象建立三维实体

模型进行受力和变形性能数值模拟分析的研究并不

多因此本文针对目前中国单洞单线深埋地铁隧

道以环向斜螺栓接头为研究对象建立盾构隧道环

向复合管片和斜螺栓的三维精细化模型研究对斜

螺栓接头在常温下的受力和变形性能以及火灾情况

下的温度分布

１　数值模型

利用 ABAQUS建立有限元实体模型采用钢

板混凝土复合管片采用壳单元模拟复合管片钢板三维实体单元模拟混凝土和螺栓

１１　管片接头构造及尺寸

Yan等采用２块弧形管片及其接头进行了高温

作用下衬砌接头缩尺试验[１７Ｇ１９]市原三馨等采用

２块直管片及简化接头进行了数值模拟[２５]以此为

基础本文取２块弧形管片及其接头为研究对象进

行足尺寸建模参考郭瑞等的研究[２６Ｇ２７]确定管片

尺寸和螺栓排布方式建立三维复合管片和螺栓模

型管片模型的几何参数见表１管片与接头尺寸

和构造见图１模型装配见图２复合管片钢板与

混凝土构造见图３表１　管片模型几何参数

Tab１　Geometricparametersofsegmentmodel mm

参数 外径 内径 管片厚度 管片宽度

数值 ７５００ ６７００ ４００ １２００

１２　材料参数与本构关系

１２１　混凝土参数与本构关系

混凝土材料在荷载超过一定范围后表现出明

图１　管片与接头尺寸和构造(单位mm)

Fig１　Sizeandstructureofsegmentsandjoints(unitmm)

图２　模型装配

Fig２　Modelassembly

图３　复合管片钢板和混凝土构造

Fig３　Steelplateandconcretestructureofcompositesegment

显的非线性ABAQUS提供了多种能反映混凝土

非线性的模型包括 CapPlasticity模型ConcreteSmearedCracking模型ConcreteDamagePlasticity模

型与DruckerＧPrager(DP)模型本文采用 DP双

曲线强化模型混凝土强度等级为 C５０摩擦角取

５４deg剪胀角取３０deg根据laquo混凝土结构设计规范raquo(GB５００１０mdash２０１０)中提供的 C５０混凝土应力Ｇ应

变关系确定 C５０混凝土单轴受压的应力Ｇ应变曲

线见图４

１２２　钢板和螺栓参数及本构关系

考虑到材料的非线性钢板和螺栓的本构关系

均选用弹塑性双线性等向强化模型塑性阶段弹性

模量取初始弹性模量的１１００[３]参考张稳军等盾

构隧道钢混复合管片的力学性能试验[２８]钢板采用

SS４００级钢根据抗拉试验确定抗拉强度和屈服强

度屈服强度取３２５MPa抗拉强度取４４８MPa弹性模量取２１０GPa泊松比取０３上下面板厚度为

９３

交　通　运　输　工　程　学　报 ２０１８年

图４　混凝土压应力Ｇ应变曲线

Fig４　CompressivestressＧstraincurveofconcrete

５mm接头板厚度为１０mm采用壳单元模拟钢板螺栓采用８８级摩擦型高强螺栓其应力Ｇ应变曲线

见图５钢板混凝土以及常温下接头螺栓的材料

参数分别见表２３

图５　螺栓应力Ｇ应变曲线

Fig５　StressＧstraincurveofbolt表２　钢板和混凝土材料参数

Tab２　Materialparametersofsteelplateandconcrete

材料 弹性模量MPa 泊松比 密度(g1048944mm－３)

钢板 ２１０times１０５ ０３ ７８５times１０－３

混凝土 ３４５times１０４ ０２ ２５０times１０－３

表３　接头螺栓参数

Tab３　Parametersofjointbolt

参数公称直径

mm

抗拉强度

MPa

屈服强度

MPa

弹性模量

MPa泊松比

数值 ３０ ８００ ６４０ ２１times１０５ ０３

１３　边界条件和加载方式

１３１　边界条件

建立局部柱坐标系约束管片左端面各个方向

的自由度视为固定端管片右端面允许在径向发生

位移

１３２　加载方式

根据laquo钢结构设计规范raquo(GB５００１７mdash２００３)

８1049008８级高强螺栓预应力为２８０kN采用力加载方式

对螺栓施加预应力隧道结构的拱顶和拱底一般向隧道内侧变形

拱腰则向隧道外侧变形因此规定使管片接头内侧

张开管片内弧面受拉为正弯矩使管片接头外侧张

开管片外弧面受拉为负弯矩正弯矩对应拱顶和

拱底的受力状态负弯矩对应拱腰的受力状态在

进行管片接头试验时常采用千斤顶在管片左右两

端以及上表面施加轴力和弯矩[１８Ｇ１９]或采用预应力

钢绞线施加管片轴力[２９]数值模拟时为避免应力

集中基于圣维南原理将千斤顶和预应力钢绞线作

用转化为均布荷载在管片左右两侧施加端面压力

提供隧道管片接头轴力采用分级加载的方式在管

片上下表面施加面板压力提供接头弯矩研究正弯

矩和负弯矩作用下(即管环不同位置)斜螺栓接头的

受力性能

１４　网格划分

网格划分见图６

图６　管片与螺栓网格划分

Fig６　Meshgenerationofsegmentandbolt

２　常温下斜螺栓管片接头应力与变形

２１　螺栓预应力对接头变形和斜螺栓轴应力的影响

在端面压力为２０８３MPa接头面板上部压力

００７MPa荷载作用下对比分析不施加预应力和施

加预应力２种情况经数值模拟得当螺栓不施加预

０４

第６期 张稳军等盾构隧道斜螺栓接头受力性能与火灾下温度分布规律

应力时管片接头张开量为９２３times１０－１ mm当施加

螺栓预应力时管片接头张开量为２１８times１０－２ mm可见使用高强螺栓可以有效减小接头张开量从而

增大接头刚度有效减少渗漏水等情况对比２种情况下沿斜螺栓轴向各节点的轴应

力见图７可见施加预应力情况下斜螺栓上各节

点的轴应力变化趋势和不施加预应力变化趋势相

同但由于预应力的存在施加预应力情况下斜螺栓

应力更大

２２　负弯矩作用下管片接头和斜螺栓的应力与变形

在施加螺栓预应力为２８０kN 的基础上逐级

施加０００００４１７０８３３１２５０１６６７２０８３MPa的端面压应力使管片接头产生负弯矩向外侧张开管片接头弯矩(负弯矩绝对值)和轴力变化见图８斜螺栓最大轴力和最大轴力截面平均应力变化见图９

图７　斜螺栓上侧各节点轴应力

Fig７　Axialstressesofjointonupsideofinclinedbolt

斜螺栓最大应力和最大应变变化见图１０管片接头

张开量和错台量变化见图１１张开量以管片外侧张

开为负错台量以左侧管片高于右侧管片为正

图８　负弯矩下接头弯矩和轴力

Fig８　Bendingmomentsandaxialforcesofjointsundernegativebendingmoment

图９　负弯矩下斜螺栓最大轴力和最大轴力截面平均应力

Fig９　Maximumaxialforcesandaveragestressesofmaximumaxialforcesectionofinclinedboltundernegativebendingmoment

　　由图８~１１可知施加２８０kN螺栓预应力情况

下当接头实际负弯矩从７kN1048944m增加到１２２kN1048944m接头实际轴力从３６８kN增加到７３４kN 时斜螺栓

最大轴力从１９８６kN 增加到２０９９kN斜螺栓最

１４

交　通　运　输　工　程　学　报 ２０１８年

图１０　负弯矩下斜螺栓最大应力和最大应变

Fig１０　Maximumstressesandmaximumstrainsofinclinedboltundernegativebendingmoment

图１１　负弯矩下接头张开量和错台量

Fig１１　Jointopeningsandstaggerquantitiesundernegativebendingmoment

大轴力截面平均应力从２８１MPa增加到２９７MPa斜螺栓最大应力从６４５９MPa增加到６５４３MPa斜螺栓最大应变从０００３３增加到０００５３斜螺栓

最大应 变 增 加 了 １６ 倍接 头 张 开 量 绝 对 值 从

０1049008０００４mm增加到０９１６７mm错台量从０1049008７１３９mm增加到１１２５２mm由此可知当采用高强螺栓存

在预应力时预应力施加结束螺栓的最大应力已达

到屈服强度之后接头轴力和弯矩的变化对螺栓最

大轴力最大轴力截面平均应力以及最大应力的影

响较小对最大应变接头张开量以及错台量的影响

较大说明施加预应力且螺栓局部达到屈服之后外荷载的增加对螺栓应力影响较小但是对接头和螺

栓变形影响较大符合材料弹塑性变化规律

２３　正弯矩作用下管片接头和斜螺栓的应力与变形

在保持螺栓预应力为２８０kN 和端面压力为

２1049008０８３MPa不变的情况下在管片上下面板逐级施

加０２１０２８０３５０４２０４９０５６MPa的竖向

均布荷载使管片接头产生正弯矩向内侧张开管

片接头实际弯矩和轴力见图１２斜螺栓最大轴力和

最大轴力截面平均应力见图１３斜螺栓最大应力和

最大应变见图 １４管片接 头 张 开 量 和 错 台 量 见

图１５张开量以管片内侧张开为正错台量以手孔

侧管片高于另一侧为正由图１２~１５可知施加２８０kN螺栓预应力情况

下当接头实际弯矩从５３kN1048944m增加到１８２kN1048944m接头实际轴力从９０３kN 增加到１０５６kN 时斜螺

栓最大轴力从１６７kN 增加到２７５kN斜螺栓最大

轴力截面平均应力从２３７MPa增加到３８９MPa斜螺栓最大应力从５５８MPa增加到６９３MPa斜螺栓

最大应变从０1049008００４１增加到０1049008０２４３斜螺栓最大应

变增加了５９倍接头张开量从０１０９５mm 增加

到４８３１８ mm错台量从 １０３１０ mm 增加 到

３1049008２０２４mm与负弯矩情况下不同由于初始阶段

斜螺栓最大应力未达到屈服因此斜螺栓应力应

２４

第６期 张稳军等盾构隧道斜螺栓接头受力性能与火灾下温度分布规律

图１２　正弯矩下接头弯矩和轴力

Fig１２　Bendingmomentsandaxialforcesofjointsunderpositivebendingmoment

图１３　正弯矩下斜螺栓最大轴力和最大轴力截面平均应力

Fig１３　Maximumaxialforcesandaveragestressesofmaximumaxialforcesectionofinclinedboltunderpositivebendingmoment

图１４　正弯矩下斜螺栓最大应力和最大应变

Fig１４　Maximumstressesandmaximumstrainsofinclinedboltunderpositivebendingmoment

变与接头变形变化均较大

２４　斜螺栓轴应力沿螺栓轴线变化规律

在接头 实 际 正 弯 矩 为 １６６kN1048944m轴 力 为

９６６kN和 实 际 负 弯 矩 为 １６８ kN1048944 m轴 力 为

９５６kN情况下得到斜螺栓的轴应力分布见图１６可知斜螺栓轴应力在接缝附近呈现反对称分布并且在负弯矩作用下最大应力应变出现在螺栓

上侧在正弯矩作用下最大应力应变出现在螺

３４

交　通　运　输　工　程　学　报 ２０１８年

图１５　正弯矩下管片接头张开量和错台量

Fig１５　Jointopeningsandstaggerquantitiesunderpositivebendingmoment

图１６　斜螺栓轴应力分布

Fig１６　Axialstressdistributionsofinclinedbolt

栓下侧沿斜螺栓轴线在斜螺栓的上侧和下侧(即斜

螺栓近管环外侧和内侧)各取一条路径分析螺栓

轴应力沿轴线的分布规律见图１７可知变化规

律与云图一致在管片接缝附近斜螺栓的应力达

到了最大值此外在接缝附近斜螺栓上下两侧

的应力发生了明显的突变除接缝外其他部位斜

螺栓的主应力同一横截面基本相等轴应力约为

４００ MPa接 缝 处 轴 应 力 绝 对 值 最 大 可 达

７００MPa并且当弯矩绝对值相同时负弯矩作用

下接缝处螺栓轴应力绝对值略大于正弯矩作用下

轴应力

图１７　斜螺栓轴应力沿轴线变化曲线

Fig１７　Axialstresschangecurvesalongaxisofinclinedbolt

３　火灾情况下温度分布

３１　混凝土热工参数

３１１　混凝土导热系数随温度的变化

根据欧洲规范(Eurocode２DesignofConcreteStructures)混凝土的导热系数常按硅质钙质轻质３类不同骨料成分分别给出计算公式采用硅质

骨料导热系数计算公式

λ１ ＝２－０２４T１

１２０＋００１２ T１

１２０aelig

egraveccedil

ouml

oslashdivide

２

２０leT１ le１２００ (１)式中λ１ 为混凝土的导热系数T１ 为混凝土温度

导热系数与温度的关系见图１８３１２　混凝土比热容随温度的变化

根据欧洲规范(Eurocode２DesignofConcreteStructures)高温下混凝土的比热容计算公式为

C１ ＝９００＋８０T１

１２０－４ T１

１２０aelig

egraveccedil

ouml

oslashdivide

２

２０leT１ le１２００ (２)

４４

第６期 张稳军等盾构隧道斜螺栓接头受力性能与火灾下温度分布规律

图１８　混凝土导热系数与温度关系

Fig１８　Relationshipbetweenthermalconductivityandtemperatureofconcrete

式中C１ 为混凝土的比热容比热容与温度的关系见图１９

图１９　混凝土比热容与温度关系

Fig１９　Relationshipbetweenspecificheatcapacityand

temperatureofconcrete

３２　钢的热工参数

３２１　钢的导热系数随温度的变化

钢的导热系数计算公式为

λ２ ＝５２０８－５０５times１０－５T２２ (３)

式中λ２ 为钢的导热系数T２ 为钢材温度导热系数与温度的关系见图２０

３２２　钢的比热容随温度的变化

钢的比热容计算公式为

C２ ＝４８３＋８０２times１０－４T２２ (４)

式中C２ 为钢的比热容比热容与温度的关系见图２１

３３　温度荷载的施加

对盾构隧道复合管片斜螺栓接头进行火灾情况

下的模拟已知隧道内火灾温度隧道内的高温气体

和衬砌的对流换热系数也可以得到故边界条件属

图２０　钢的导热系数与温度关系

Fig２０　Relationshipbetweenthermalconductivityand

temperatureofsteel

图２１　钢的比热容与温度关系

Fig２１　Relationshipbetweenspecificheat

capacityandtemperatureofsteel

于第３类边界条件

３３１　隧道内升温曲线的确定

要研究火灾对隧道管片及其接头的影响就必

须知道隧道内火灾时的升温曲线升温曲线受多种

因素的影响目前国内外常用的升温曲线主要有３种ISO８３４标准升温曲线RABT 标准升温曲线和

HC标准升温曲线HC标准升温曲线起初用于石

化工程和海洋工程后由于较能反映隧道火灾的升

温特征而被广泛应用到隧道工程的抗火性能研究

中[１６]故本次模拟采用 HC标准升温曲线温度随

时间表达式为

Tt＝T０＋１０８０(１－０３２５e－０１６７t－０６７５e－２５t)(５)式中t为时间T０ 为隧道初始温度本文为２０Tt

为t时刻隧道内的最高温度即环境温度

HC升温曲线见图２２

３３２　对流换热系数的确定

本文在参考了文献[４３０Ｇ３２]的基础上对流换

热系数采用由段文玺[３３]建议的混凝土与高温烟气

５４

交　通　运　输　工　程　学　报 ２０１８年

图２２　HC升温曲线

Fig２２　HeatingupcurveofHC

之间的对流换热系数所拟合的公式

h＝７０５０９７eT３７２５５１９５＋０８４１８４ (６)式中h为对流换热系数T 为热源温度

受火面对流换热系数随温度变化曲线见图２３

图２３　对流换热系数曲线

Fig２３　Curveofconvectiveheattransfercoefficient

非受火面环境温度为２０取h＝１０W1048944(m２1048944)－１

３４　温度场分布规律

在 ABAQUS中采用heattransfer分析步对管

片和斜螺栓接头进行温度分析对于 HC标准升温

曲线隧道内部热源温度从开始加热到达到最高温

度１１００大约需要３０min的时间随后温度保持

稳定初始温度场取２０在受热３h之后得到

管片温度分布见图２４接头细节温度分布见图２５由图２４２５可以看出当受热３h后管片内部和接

缝温度均明显升高最高温度高于１０００说明管

片与隧道内高温气体进行了充分的热交换可见管

片手孔部位温度较高在实际工程中必须进行防火

处理在手孔管片接缝以及螺母处分别取点分析其

温度变化得到其温度变化规律见图２６可见手孔

图２４　管片温度分布

Fig２４　Distributionofsegmenttemperature

图２５　接头温度分布

Fig２５　Distributionofjointtemperature

图２６　螺母手孔和接缝温度曲线

Fig２６　Temperaturecurvesofnuthandholeandseam

处和接缝处混凝土升温较快在８０１００min后已经

达到稳定温度螺母处在１５０min后达到稳定温度稳定温度均在１０００左右虽然３个节点均为直

接受火面节点这种差异可能是由于材料的不同以

及手孔处热气较为集中导致的取螺栓上沿轴线等

距的一系列点进行温度分布规律分析得到斜螺栓

沿轴线各节点温度随受热时间变化见图２７斜螺栓

沿轴线各节点温度随距螺母端距离变化见图２８可以看出整体上距螺母端越远温度越低升温速度

越慢但是在接缝处螺栓的温度会比附近的温度高

４　结　语

(１)使用高强螺栓可以有效减小接头张开量从而增大接头刚度有效减少渗漏水等情况施加预

６４

第６期 张稳军等盾构隧道斜螺栓接头受力性能与火灾下温度分布规律

图２７　斜螺栓沿轴线各节点温度随受热时间变化曲线

Fig２７　Temperaturevariationcurvesofeachnodealongaxisof

inclinedboltwithheatingtime

图２８　斜螺栓沿轴线各节点温度随距螺母端距离变化曲线

Fig２８　Temperaturevariationcurvesofeachnodealongaxisof

inclinedboltwithdistancefromnut

应力情况下初始阶段螺栓局部最大应力易达到屈

服之后接头弯矩和轴力的增加对斜螺栓应力影响

较小但是对斜螺栓应变影响较大若初始阶段斜螺

栓最大应力未达到屈服则斜螺栓应力应变与接头

变形变化均较大(２)常温下由于斜螺栓特有的倾斜角度在接缝

附近斜螺栓上下两侧的应力发生了明显的突变接缝附近斜螺栓的轴应力呈现反对称分布并且在管片

接缝附近斜螺栓的应力达到了最大值除接缝外其

他部位斜螺栓的轴应力基本相等约为４００MPa接缝处斜螺栓轴应力绝对值最大可达７００MPa

(３)火灾情况下手孔处温度上升最快且达到的

温度最高８０min时即可达到１０００需进行防火

处理接缝处混凝土在１００min后达到稳定温度螺母处混凝土在１５０min后达到稳定温度稳定温

度均在１０００左右(４)本文未对高温下以及高温后复合管片斜螺

栓接头的损伤破坏过程进行分析因此需要对斜螺

栓接头在火灾情况下的力学性能及相关内容进行进

一步研究

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10508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898

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laquo交通运输工程学报raquo２０１９年征订通知

laquo交通运输工程学报raquo是由国家教育部主管长安大学主办国务院学位委员会交通运输工程学科评

议组东南大学与西南交通大学共同协办的交通运输领域的学术理论刊物两院院士沈志云教授任名誉

主任委员主要刊载道路与铁道工程载运工具运用工程交通运输规划与管理交通信息工程与控制等

领域高水平的学术论文和重大工程实践项目产生的论文主要读者对象为国内外交通运输领域的科研

人员工程技术人员及大专院校相关专业的师生laquo交通运输工程学报raquo为双月刊大１６开本１９２个页码每期定价１００００元全年共６００００元

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９４

交　通　运　输　工　程　学　报 ２０１８年

图４　混凝土压应力Ｇ应变曲线

Fig４　CompressivestressＧstraincurveofconcrete

５mm接头板厚度为１０mm采用壳单元模拟钢板螺栓采用８８级摩擦型高强螺栓其应力Ｇ应变曲线

见图５钢板混凝土以及常温下接头螺栓的材料

参数分别见表２３

图５　螺栓应力Ｇ应变曲线

Fig５　StressＧstraincurveofbolt表２　钢板和混凝土材料参数

Tab２　Materialparametersofsteelplateandconcrete

材料 弹性模量MPa 泊松比 密度(g1048944mm－３)

钢板 ２１０times１０５ ０３ ７８５times１０－３

混凝土 ３４５times１０４ ０２ ２５０times１０－３

表３　接头螺栓参数

Tab３　Parametersofjointbolt

参数公称直径

mm

抗拉强度

MPa

屈服强度

MPa

弹性模量

MPa泊松比

数值 ３０ ８００ ６４０ ２１times１０５ ０３

１３　边界条件和加载方式

１３１　边界条件

建立局部柱坐标系约束管片左端面各个方向

的自由度视为固定端管片右端面允许在径向发生

位移

１３２　加载方式

根据laquo钢结构设计规范raquo(GB５００１７mdash２００３)

８1049008８级高强螺栓预应力为２８０kN采用力加载方式

对螺栓施加预应力隧道结构的拱顶和拱底一般向隧道内侧变形

拱腰则向隧道外侧变形因此规定使管片接头内侧

张开管片内弧面受拉为正弯矩使管片接头外侧张

开管片外弧面受拉为负弯矩正弯矩对应拱顶和

拱底的受力状态负弯矩对应拱腰的受力状态在

进行管片接头试验时常采用千斤顶在管片左右两

端以及上表面施加轴力和弯矩[１８Ｇ１９]或采用预应力

钢绞线施加管片轴力[２９]数值模拟时为避免应力

集中基于圣维南原理将千斤顶和预应力钢绞线作

用转化为均布荷载在管片左右两侧施加端面压力

提供隧道管片接头轴力采用分级加载的方式在管

片上下表面施加面板压力提供接头弯矩研究正弯

矩和负弯矩作用下(即管环不同位置)斜螺栓接头的

受力性能

１４　网格划分

网格划分见图６

图６　管片与螺栓网格划分

Fig６　Meshgenerationofsegmentandbolt

２　常温下斜螺栓管片接头应力与变形

２１　螺栓预应力对接头变形和斜螺栓轴应力的影响

在端面压力为２０８３MPa接头面板上部压力

００７MPa荷载作用下对比分析不施加预应力和施

加预应力２种情况经数值模拟得当螺栓不施加预

０４

第６期 张稳军等盾构隧道斜螺栓接头受力性能与火灾下温度分布规律

应力时管片接头张开量为９２３times１０－１ mm当施加

螺栓预应力时管片接头张开量为２１８times１０－２ mm可见使用高强螺栓可以有效减小接头张开量从而

增大接头刚度有效减少渗漏水等情况对比２种情况下沿斜螺栓轴向各节点的轴应

力见图７可见施加预应力情况下斜螺栓上各节

点的轴应力变化趋势和不施加预应力变化趋势相

同但由于预应力的存在施加预应力情况下斜螺栓

应力更大

２２　负弯矩作用下管片接头和斜螺栓的应力与变形

在施加螺栓预应力为２８０kN 的基础上逐级

施加０００００４１７０８３３１２５０１６６７２０８３MPa的端面压应力使管片接头产生负弯矩向外侧张开管片接头弯矩(负弯矩绝对值)和轴力变化见图８斜螺栓最大轴力和最大轴力截面平均应力变化见图９

图７　斜螺栓上侧各节点轴应力

Fig７　Axialstressesofjointonupsideofinclinedbolt

斜螺栓最大应力和最大应变变化见图１０管片接头

张开量和错台量变化见图１１张开量以管片外侧张

开为负错台量以左侧管片高于右侧管片为正

图８　负弯矩下接头弯矩和轴力

Fig８　Bendingmomentsandaxialforcesofjointsundernegativebendingmoment

图９　负弯矩下斜螺栓最大轴力和最大轴力截面平均应力

Fig９　Maximumaxialforcesandaveragestressesofmaximumaxialforcesectionofinclinedboltundernegativebendingmoment

　　由图８~１１可知施加２８０kN螺栓预应力情况

下当接头实际负弯矩从７kN1048944m增加到１２２kN1048944m接头实际轴力从３６８kN增加到７３４kN 时斜螺栓

最大轴力从１９８６kN 增加到２０９９kN斜螺栓最

１４

交　通　运　输　工　程　学　报 ２０１８年

图１０　负弯矩下斜螺栓最大应力和最大应变

Fig１０　Maximumstressesandmaximumstrainsofinclinedboltundernegativebendingmoment

图１１　负弯矩下接头张开量和错台量

Fig１１　Jointopeningsandstaggerquantitiesundernegativebendingmoment

大轴力截面平均应力从２８１MPa增加到２９７MPa斜螺栓最大应力从６４５９MPa增加到６５４３MPa斜螺栓最大应变从０００３３增加到０００５３斜螺栓

最大应 变 增 加 了 １６ 倍接 头 张 开 量 绝 对 值 从

０1049008０００４mm增加到０９１６７mm错台量从０1049008７１３９mm增加到１１２５２mm由此可知当采用高强螺栓存

在预应力时预应力施加结束螺栓的最大应力已达

到屈服强度之后接头轴力和弯矩的变化对螺栓最

大轴力最大轴力截面平均应力以及最大应力的影

响较小对最大应变接头张开量以及错台量的影响

较大说明施加预应力且螺栓局部达到屈服之后外荷载的增加对螺栓应力影响较小但是对接头和螺

栓变形影响较大符合材料弹塑性变化规律

２３　正弯矩作用下管片接头和斜螺栓的应力与变形

在保持螺栓预应力为２８０kN 和端面压力为

２1049008０８３MPa不变的情况下在管片上下面板逐级施

加０２１０２８０３５０４２０４９０５６MPa的竖向

均布荷载使管片接头产生正弯矩向内侧张开管

片接头实际弯矩和轴力见图１２斜螺栓最大轴力和

最大轴力截面平均应力见图１３斜螺栓最大应力和

最大应变见图 １４管片接 头 张 开 量 和 错 台 量 见

图１５张开量以管片内侧张开为正错台量以手孔

侧管片高于另一侧为正由图１２~１５可知施加２８０kN螺栓预应力情况

下当接头实际弯矩从５３kN1048944m增加到１８２kN1048944m接头实际轴力从９０３kN 增加到１０５６kN 时斜螺

栓最大轴力从１６７kN 增加到２７５kN斜螺栓最大

轴力截面平均应力从２３７MPa增加到３８９MPa斜螺栓最大应力从５５８MPa增加到６９３MPa斜螺栓

最大应变从０1049008００４１增加到０1049008０２４３斜螺栓最大应

变增加了５９倍接头张开量从０１０９５mm 增加

到４８３１８ mm错台量从 １０３１０ mm 增加 到

３1049008２０２４mm与负弯矩情况下不同由于初始阶段

斜螺栓最大应力未达到屈服因此斜螺栓应力应

２４

第６期 张稳军等盾构隧道斜螺栓接头受力性能与火灾下温度分布规律

图１２　正弯矩下接头弯矩和轴力

Fig１２　Bendingmomentsandaxialforcesofjointsunderpositivebendingmoment

图１３　正弯矩下斜螺栓最大轴力和最大轴力截面平均应力

Fig１３　Maximumaxialforcesandaveragestressesofmaximumaxialforcesectionofinclinedboltunderpositivebendingmoment

图１４　正弯矩下斜螺栓最大应力和最大应变

Fig１４　Maximumstressesandmaximumstrainsofinclinedboltunderpositivebendingmoment

变与接头变形变化均较大

２４　斜螺栓轴应力沿螺栓轴线变化规律

在接头 实 际 正 弯 矩 为 １６６kN1048944m轴 力 为

９６６kN和 实 际 负 弯 矩 为 １６８ kN1048944 m轴 力 为

９５６kN情况下得到斜螺栓的轴应力分布见图１６可知斜螺栓轴应力在接缝附近呈现反对称分布并且在负弯矩作用下最大应力应变出现在螺栓

上侧在正弯矩作用下最大应力应变出现在螺

３４

交　通　运　输　工　程　学　报 ２０１８年

图１５　正弯矩下管片接头张开量和错台量

Fig１５　Jointopeningsandstaggerquantitiesunderpositivebendingmoment

图１６　斜螺栓轴应力分布

Fig１６　Axialstressdistributionsofinclinedbolt

栓下侧沿斜螺栓轴线在斜螺栓的上侧和下侧(即斜

螺栓近管环外侧和内侧)各取一条路径分析螺栓

轴应力沿轴线的分布规律见图１７可知变化规

律与云图一致在管片接缝附近斜螺栓的应力达

到了最大值此外在接缝附近斜螺栓上下两侧

的应力发生了明显的突变除接缝外其他部位斜

螺栓的主应力同一横截面基本相等轴应力约为

４００ MPa接 缝 处 轴 应 力 绝 对 值 最 大 可 达

７００MPa并且当弯矩绝对值相同时负弯矩作用

下接缝处螺栓轴应力绝对值略大于正弯矩作用下

轴应力

图１７　斜螺栓轴应力沿轴线变化曲线

Fig１７　Axialstresschangecurvesalongaxisofinclinedbolt

３　火灾情况下温度分布

３１　混凝土热工参数

３１１　混凝土导热系数随温度的变化

根据欧洲规范(Eurocode２DesignofConcreteStructures)混凝土的导热系数常按硅质钙质轻质３类不同骨料成分分别给出计算公式采用硅质

骨料导热系数计算公式

λ１ ＝２－０２４T１

１２０＋００１２ T１

１２０aelig

egraveccedil

ouml

oslashdivide

２

２０leT１ le１２００ (１)式中λ１ 为混凝土的导热系数T１ 为混凝土温度

导热系数与温度的关系见图１８３１２　混凝土比热容随温度的变化

根据欧洲规范(Eurocode２DesignofConcreteStructures)高温下混凝土的比热容计算公式为

C１ ＝９００＋８０T１

１２０－４ T１

１２０aelig

egraveccedil

ouml

oslashdivide

２

２０leT１ le１２００ (２)

４４

第６期 张稳军等盾构隧道斜螺栓接头受力性能与火灾下温度分布规律

图１８　混凝土导热系数与温度关系

Fig１８　Relationshipbetweenthermalconductivityandtemperatureofconcrete

式中C１ 为混凝土的比热容比热容与温度的关系见图１９

图１９　混凝土比热容与温度关系

Fig１９　Relationshipbetweenspecificheatcapacityand

temperatureofconcrete

３２　钢的热工参数

３２１　钢的导热系数随温度的变化

钢的导热系数计算公式为

λ２ ＝５２０８－５０５times１０－５T２２ (３)

式中λ２ 为钢的导热系数T２ 为钢材温度导热系数与温度的关系见图２０

３２２　钢的比热容随温度的变化

钢的比热容计算公式为

C２ ＝４８３＋８０２times１０－４T２２ (４)

式中C２ 为钢的比热容比热容与温度的关系见图２１

３３　温度荷载的施加

对盾构隧道复合管片斜螺栓接头进行火灾情况

下的模拟已知隧道内火灾温度隧道内的高温气体

和衬砌的对流换热系数也可以得到故边界条件属

图２０　钢的导热系数与温度关系

Fig２０　Relationshipbetweenthermalconductivityand

temperatureofsteel

图２１　钢的比热容与温度关系

Fig２１　Relationshipbetweenspecificheat

capacityandtemperatureofsteel

于第３类边界条件

３３１　隧道内升温曲线的确定

要研究火灾对隧道管片及其接头的影响就必

须知道隧道内火灾时的升温曲线升温曲线受多种

因素的影响目前国内外常用的升温曲线主要有３种ISO８３４标准升温曲线RABT 标准升温曲线和

HC标准升温曲线HC标准升温曲线起初用于石

化工程和海洋工程后由于较能反映隧道火灾的升

温特征而被广泛应用到隧道工程的抗火性能研究

中[１６]故本次模拟采用 HC标准升温曲线温度随

时间表达式为

Tt＝T０＋１０８０(１－０３２５e－０１６７t－０６７５e－２５t)(５)式中t为时间T０ 为隧道初始温度本文为２０Tt

为t时刻隧道内的最高温度即环境温度

HC升温曲线见图２２

３３２　对流换热系数的确定

本文在参考了文献[４３０Ｇ３２]的基础上对流换

热系数采用由段文玺[３３]建议的混凝土与高温烟气

５４

交　通　运　输　工　程　学　报 ２０１８年

图２２　HC升温曲线

Fig２２　HeatingupcurveofHC

之间的对流换热系数所拟合的公式

h＝７０５０９７eT３７２５５１９５＋０８４１８４ (６)式中h为对流换热系数T 为热源温度

受火面对流换热系数随温度变化曲线见图２３

图２３　对流换热系数曲线

Fig２３　Curveofconvectiveheattransfercoefficient

非受火面环境温度为２０取h＝１０W1048944(m２1048944)－１

３４　温度场分布规律

在 ABAQUS中采用heattransfer分析步对管

片和斜螺栓接头进行温度分析对于 HC标准升温

曲线隧道内部热源温度从开始加热到达到最高温

度１１００大约需要３０min的时间随后温度保持

稳定初始温度场取２０在受热３h之后得到

管片温度分布见图２４接头细节温度分布见图２５由图２４２５可以看出当受热３h后管片内部和接

缝温度均明显升高最高温度高于１０００说明管

片与隧道内高温气体进行了充分的热交换可见管

片手孔部位温度较高在实际工程中必须进行防火

处理在手孔管片接缝以及螺母处分别取点分析其

温度变化得到其温度变化规律见图２６可见手孔

图２４　管片温度分布

Fig２４　Distributionofsegmenttemperature

图２５　接头温度分布

Fig２５　Distributionofjointtemperature

图２６　螺母手孔和接缝温度曲线

Fig２６　Temperaturecurvesofnuthandholeandseam

处和接缝处混凝土升温较快在８０１００min后已经

达到稳定温度螺母处在１５０min后达到稳定温度稳定温度均在１０００左右虽然３个节点均为直

接受火面节点这种差异可能是由于材料的不同以

及手孔处热气较为集中导致的取螺栓上沿轴线等

距的一系列点进行温度分布规律分析得到斜螺栓

沿轴线各节点温度随受热时间变化见图２７斜螺栓

沿轴线各节点温度随距螺母端距离变化见图２８可以看出整体上距螺母端越远温度越低升温速度

越慢但是在接缝处螺栓的温度会比附近的温度高

４　结　语

(１)使用高强螺栓可以有效减小接头张开量从而增大接头刚度有效减少渗漏水等情况施加预

６４

第６期 张稳军等盾构隧道斜螺栓接头受力性能与火灾下温度分布规律

图２７　斜螺栓沿轴线各节点温度随受热时间变化曲线

Fig２７　Temperaturevariationcurvesofeachnodealongaxisof

inclinedboltwithheatingtime

图２８　斜螺栓沿轴线各节点温度随距螺母端距离变化曲线

Fig２８　Temperaturevariationcurvesofeachnodealongaxisof

inclinedboltwithdistancefromnut

应力情况下初始阶段螺栓局部最大应力易达到屈

服之后接头弯矩和轴力的增加对斜螺栓应力影响

较小但是对斜螺栓应变影响较大若初始阶段斜螺

栓最大应力未达到屈服则斜螺栓应力应变与接头

变形变化均较大(２)常温下由于斜螺栓特有的倾斜角度在接缝

附近斜螺栓上下两侧的应力发生了明显的突变接缝附近斜螺栓的轴应力呈现反对称分布并且在管片

接缝附近斜螺栓的应力达到了最大值除接缝外其

他部位斜螺栓的轴应力基本相等约为４００MPa接缝处斜螺栓轴应力绝对值最大可达７００MPa

(３)火灾情况下手孔处温度上升最快且达到的

温度最高８０min时即可达到１０００需进行防火

处理接缝处混凝土在１００min后达到稳定温度螺母处混凝土在１５０min后达到稳定温度稳定温

度均在１０００左右(４)本文未对高温下以及高温后复合管片斜螺

栓接头的损伤破坏过程进行分析因此需要对斜螺

栓接头在火灾情况下的力学性能及相关内容进行进

一步研究

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1050898

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10508981050898

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10510261051026

laquo交通运输工程学报raquo２０１９年征订通知

laquo交通运输工程学报raquo是由国家教育部主管长安大学主办国务院学位委员会交通运输工程学科评

议组东南大学与西南交通大学共同协办的交通运输领域的学术理论刊物两院院士沈志云教授任名誉

主任委员主要刊载道路与铁道工程载运工具运用工程交通运输规划与管理交通信息工程与控制等

领域高水平的学术论文和重大工程实践项目产生的论文主要读者对象为国内外交通运输领域的科研

人员工程技术人员及大专院校相关专业的师生laquo交通运输工程学报raquo为双月刊大１６开本１９２个页码每期定价１００００元全年共６００００元

可到当地邮局订阅邮发代号为５２Ｇ１９５也可直接汇款至laquo交通运输工程学报raquo编辑部订阅开户银行中国银行西安翠华路支行　　　　　　　　　　账　　号１０２４０７３３７２５８账　　户长安大学杂志社 邮政编码７１００６４联 系 人胡广平 电　　话０２９Ｇ８２３３４３８２地　　址陕西省西安市南二环路中段长安大学杂志社 EＧmailjygcchdeducn

９４

第６期 张稳军等盾构隧道斜螺栓接头受力性能与火灾下温度分布规律

应力时管片接头张开量为９２３times１０－１ mm当施加

螺栓预应力时管片接头张开量为２１８times１０－２ mm可见使用高强螺栓可以有效减小接头张开量从而

增大接头刚度有效减少渗漏水等情况对比２种情况下沿斜螺栓轴向各节点的轴应

力见图７可见施加预应力情况下斜螺栓上各节

点的轴应力变化趋势和不施加预应力变化趋势相

同但由于预应力的存在施加预应力情况下斜螺栓

应力更大

２２　负弯矩作用下管片接头和斜螺栓的应力与变形

在施加螺栓预应力为２８０kN 的基础上逐级

施加０００００４１７０８３３１２５０１６６７２０８３MPa的端面压应力使管片接头产生负弯矩向外侧张开管片接头弯矩(负弯矩绝对值)和轴力变化见图８斜螺栓最大轴力和最大轴力截面平均应力变化见图９

图７　斜螺栓上侧各节点轴应力

Fig７　Axialstressesofjointonupsideofinclinedbolt

斜螺栓最大应力和最大应变变化见图１０管片接头

张开量和错台量变化见图１１张开量以管片外侧张

开为负错台量以左侧管片高于右侧管片为正

图８　负弯矩下接头弯矩和轴力

Fig８　Bendingmomentsandaxialforcesofjointsundernegativebendingmoment

图９　负弯矩下斜螺栓最大轴力和最大轴力截面平均应力

Fig９　Maximumaxialforcesandaveragestressesofmaximumaxialforcesectionofinclinedboltundernegativebendingmoment

　　由图８~１１可知施加２８０kN螺栓预应力情况

下当接头实际负弯矩从７kN1048944m增加到１２２kN1048944m接头实际轴力从３６８kN增加到７３４kN 时斜螺栓

最大轴力从１９８６kN 增加到２０９９kN斜螺栓最

１４

交　通　运　输　工　程　学　报 ２０１８年

图１０　负弯矩下斜螺栓最大应力和最大应变

Fig１０　Maximumstressesandmaximumstrainsofinclinedboltundernegativebendingmoment

图１１　负弯矩下接头张开量和错台量

Fig１１　Jointopeningsandstaggerquantitiesundernegativebendingmoment

大轴力截面平均应力从２８１MPa增加到２９７MPa斜螺栓最大应力从６４５９MPa增加到６５４３MPa斜螺栓最大应变从０００３３增加到０００５３斜螺栓

最大应 变 增 加 了 １６ 倍接 头 张 开 量 绝 对 值 从

０1049008０００４mm增加到０９１６７mm错台量从０1049008７１３９mm增加到１１２５２mm由此可知当采用高强螺栓存

在预应力时预应力施加结束螺栓的最大应力已达

到屈服强度之后接头轴力和弯矩的变化对螺栓最

大轴力最大轴力截面平均应力以及最大应力的影

响较小对最大应变接头张开量以及错台量的影响

较大说明施加预应力且螺栓局部达到屈服之后外荷载的增加对螺栓应力影响较小但是对接头和螺

栓变形影响较大符合材料弹塑性变化规律

２３　正弯矩作用下管片接头和斜螺栓的应力与变形

在保持螺栓预应力为２８０kN 和端面压力为

２1049008０８３MPa不变的情况下在管片上下面板逐级施

加０２１０２８０３５０４２０４９０５６MPa的竖向

均布荷载使管片接头产生正弯矩向内侧张开管

片接头实际弯矩和轴力见图１２斜螺栓最大轴力和

最大轴力截面平均应力见图１３斜螺栓最大应力和

最大应变见图 １４管片接 头 张 开 量 和 错 台 量 见

图１５张开量以管片内侧张开为正错台量以手孔

侧管片高于另一侧为正由图１２~１５可知施加２８０kN螺栓预应力情况

下当接头实际弯矩从５３kN1048944m增加到１８２kN1048944m接头实际轴力从９０３kN 增加到１０５６kN 时斜螺

栓最大轴力从１６７kN 增加到２７５kN斜螺栓最大

轴力截面平均应力从２３７MPa增加到３８９MPa斜螺栓最大应力从５５８MPa增加到６９３MPa斜螺栓

最大应变从０1049008００４１增加到０1049008０２４３斜螺栓最大应

变增加了５９倍接头张开量从０１０９５mm 增加

到４８３１８ mm错台量从 １０３１０ mm 增加 到

３1049008２０２４mm与负弯矩情况下不同由于初始阶段

斜螺栓最大应力未达到屈服因此斜螺栓应力应

２４

第６期 张稳军等盾构隧道斜螺栓接头受力性能与火灾下温度分布规律

图１２　正弯矩下接头弯矩和轴力

Fig１２　Bendingmomentsandaxialforcesofjointsunderpositivebendingmoment

图１３　正弯矩下斜螺栓最大轴力和最大轴力截面平均应力

Fig１３　Maximumaxialforcesandaveragestressesofmaximumaxialforcesectionofinclinedboltunderpositivebendingmoment

图１４　正弯矩下斜螺栓最大应力和最大应变

Fig１４　Maximumstressesandmaximumstrainsofinclinedboltunderpositivebendingmoment

变与接头变形变化均较大

２４　斜螺栓轴应力沿螺栓轴线变化规律

在接头 实 际 正 弯 矩 为 １６６kN1048944m轴 力 为

９６６kN和 实 际 负 弯 矩 为 １６８ kN1048944 m轴 力 为

９５６kN情况下得到斜螺栓的轴应力分布见图１６可知斜螺栓轴应力在接缝附近呈现反对称分布并且在负弯矩作用下最大应力应变出现在螺栓

上侧在正弯矩作用下最大应力应变出现在螺

３４

交　通　运　输　工　程　学　报 ２０１８年

图１５　正弯矩下管片接头张开量和错台量

Fig１５　Jointopeningsandstaggerquantitiesunderpositivebendingmoment

图１６　斜螺栓轴应力分布

Fig１６　Axialstressdistributionsofinclinedbolt

栓下侧沿斜螺栓轴线在斜螺栓的上侧和下侧(即斜

螺栓近管环外侧和内侧)各取一条路径分析螺栓

轴应力沿轴线的分布规律见图１７可知变化规

律与云图一致在管片接缝附近斜螺栓的应力达

到了最大值此外在接缝附近斜螺栓上下两侧

的应力发生了明显的突变除接缝外其他部位斜

螺栓的主应力同一横截面基本相等轴应力约为

４００ MPa接 缝 处 轴 应 力 绝 对 值 最 大 可 达

７００MPa并且当弯矩绝对值相同时负弯矩作用

下接缝处螺栓轴应力绝对值略大于正弯矩作用下

轴应力

图１７　斜螺栓轴应力沿轴线变化曲线

Fig１７　Axialstresschangecurvesalongaxisofinclinedbolt

３　火灾情况下温度分布

３１　混凝土热工参数

３１１　混凝土导热系数随温度的变化

根据欧洲规范(Eurocode２DesignofConcreteStructures)混凝土的导热系数常按硅质钙质轻质３类不同骨料成分分别给出计算公式采用硅质

骨料导热系数计算公式

λ１ ＝２－０２４T１

１２０＋００１２ T１

１２０aelig

egraveccedil

ouml

oslashdivide

２

２０leT１ le１２００ (１)式中λ１ 为混凝土的导热系数T１ 为混凝土温度

导热系数与温度的关系见图１８３１２　混凝土比热容随温度的变化

根据欧洲规范(Eurocode２DesignofConcreteStructures)高温下混凝土的比热容计算公式为

C１ ＝９００＋８０T１

１２０－４ T１

１２０aelig

egraveccedil

ouml

oslashdivide

２

２０leT１ le１２００ (２)

４４

第６期 张稳军等盾构隧道斜螺栓接头受力性能与火灾下温度分布规律

图１８　混凝土导热系数与温度关系

Fig１８　Relationshipbetweenthermalconductivityandtemperatureofconcrete

式中C１ 为混凝土的比热容比热容与温度的关系见图１９

图１９　混凝土比热容与温度关系

Fig１９　Relationshipbetweenspecificheatcapacityand

temperatureofconcrete

３２　钢的热工参数

３２１　钢的导热系数随温度的变化

钢的导热系数计算公式为

λ２ ＝５２０８－５０５times１０－５T２２ (３)

式中λ２ 为钢的导热系数T２ 为钢材温度导热系数与温度的关系见图２０

３２２　钢的比热容随温度的变化

钢的比热容计算公式为

C２ ＝４８３＋８０２times１０－４T２２ (４)

式中C２ 为钢的比热容比热容与温度的关系见图２１

３３　温度荷载的施加

对盾构隧道复合管片斜螺栓接头进行火灾情况

下的模拟已知隧道内火灾温度隧道内的高温气体

和衬砌的对流换热系数也可以得到故边界条件属

图２０　钢的导热系数与温度关系

Fig２０　Relationshipbetweenthermalconductivityand

temperatureofsteel

图２１　钢的比热容与温度关系

Fig２１　Relationshipbetweenspecificheat

capacityandtemperatureofsteel

于第３类边界条件

３３１　隧道内升温曲线的确定

要研究火灾对隧道管片及其接头的影响就必

须知道隧道内火灾时的升温曲线升温曲线受多种

因素的影响目前国内外常用的升温曲线主要有３种ISO８３４标准升温曲线RABT 标准升温曲线和

HC标准升温曲线HC标准升温曲线起初用于石

化工程和海洋工程后由于较能反映隧道火灾的升

温特征而被广泛应用到隧道工程的抗火性能研究

中[１６]故本次模拟采用 HC标准升温曲线温度随

时间表达式为

Tt＝T０＋１０８０(１－０３２５e－０１６７t－０６７５e－２５t)(５)式中t为时间T０ 为隧道初始温度本文为２０Tt

为t时刻隧道内的最高温度即环境温度

HC升温曲线见图２２

３３２　对流换热系数的确定

本文在参考了文献[４３０Ｇ３２]的基础上对流换

热系数采用由段文玺[３３]建议的混凝土与高温烟气

５４

交　通　运　输　工　程　学　报 ２０１８年

图２２　HC升温曲线

Fig２２　HeatingupcurveofHC

之间的对流换热系数所拟合的公式

h＝７０５０９７eT３７２５５１９５＋０８４１８４ (６)式中h为对流换热系数T 为热源温度

受火面对流换热系数随温度变化曲线见图２３

图２３　对流换热系数曲线

Fig２３　Curveofconvectiveheattransfercoefficient

非受火面环境温度为２０取h＝１０W1048944(m２1048944)－１

３４　温度场分布规律

在 ABAQUS中采用heattransfer分析步对管

片和斜螺栓接头进行温度分析对于 HC标准升温

曲线隧道内部热源温度从开始加热到达到最高温

度１１００大约需要３０min的时间随后温度保持

稳定初始温度场取２０在受热３h之后得到

管片温度分布见图２４接头细节温度分布见图２５由图２４２５可以看出当受热３h后管片内部和接

缝温度均明显升高最高温度高于１０００说明管

片与隧道内高温气体进行了充分的热交换可见管

片手孔部位温度较高在实际工程中必须进行防火

处理在手孔管片接缝以及螺母处分别取点分析其

温度变化得到其温度变化规律见图２６可见手孔

图２４　管片温度分布

Fig２４　Distributionofsegmenttemperature

图２５　接头温度分布

Fig２５　Distributionofjointtemperature

图２６　螺母手孔和接缝温度曲线

Fig２６　Temperaturecurvesofnuthandholeandseam

处和接缝处混凝土升温较快在８０１００min后已经

达到稳定温度螺母处在１５０min后达到稳定温度稳定温度均在１０００左右虽然３个节点均为直

接受火面节点这种差异可能是由于材料的不同以

及手孔处热气较为集中导致的取螺栓上沿轴线等

距的一系列点进行温度分布规律分析得到斜螺栓

沿轴线各节点温度随受热时间变化见图２７斜螺栓

沿轴线各节点温度随距螺母端距离变化见图２８可以看出整体上距螺母端越远温度越低升温速度

越慢但是在接缝处螺栓的温度会比附近的温度高

４　结　语

(１)使用高强螺栓可以有效减小接头张开量从而增大接头刚度有效减少渗漏水等情况施加预

６４

第６期 张稳军等盾构隧道斜螺栓接头受力性能与火灾下温度分布规律

图２７　斜螺栓沿轴线各节点温度随受热时间变化曲线

Fig２７　Temperaturevariationcurvesofeachnodealongaxisof

inclinedboltwithheatingtime

图２８　斜螺栓沿轴线各节点温度随距螺母端距离变化曲线

Fig２８　Temperaturevariationcurvesofeachnodealongaxisof

inclinedboltwithdistancefromnut

应力情况下初始阶段螺栓局部最大应力易达到屈

服之后接头弯矩和轴力的增加对斜螺栓应力影响

较小但是对斜螺栓应变影响较大若初始阶段斜螺

栓最大应力未达到屈服则斜螺栓应力应变与接头

变形变化均较大(２)常温下由于斜螺栓特有的倾斜角度在接缝

附近斜螺栓上下两侧的应力发生了明显的突变接缝附近斜螺栓的轴应力呈现反对称分布并且在管片

接缝附近斜螺栓的应力达到了最大值除接缝外其

他部位斜螺栓的轴应力基本相等约为４００MPa接缝处斜螺栓轴应力绝对值最大可达７００MPa

(３)火灾情况下手孔处温度上升最快且达到的

温度最高８０min时即可达到１０００需进行防火

处理接缝处混凝土在１００min后达到稳定温度螺母处混凝土在１５０min后达到稳定温度稳定温

度均在１０００左右(４)本文未对高温下以及高温后复合管片斜螺

栓接头的损伤破坏过程进行分析因此需要对斜螺

栓接头在火灾情况下的力学性能及相关内容进行进

一步研究

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laquo交通运输工程学报raquo２０１９年征订通知

laquo交通运输工程学报raquo是由国家教育部主管长安大学主办国务院学位委员会交通运输工程学科评

议组东南大学与西南交通大学共同协办的交通运输领域的学术理论刊物两院院士沈志云教授任名誉

主任委员主要刊载道路与铁道工程载运工具运用工程交通运输规划与管理交通信息工程与控制等

领域高水平的学术论文和重大工程实践项目产生的论文主要读者对象为国内外交通运输领域的科研

人员工程技术人员及大专院校相关专业的师生laquo交通运输工程学报raquo为双月刊大１６开本１９２个页码每期定价１００００元全年共６００００元

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９４

交　通　运　输　工　程　学　报 ２０１８年

图１０　负弯矩下斜螺栓最大应力和最大应变

Fig１０　Maximumstressesandmaximumstrainsofinclinedboltundernegativebendingmoment

图１１　负弯矩下接头张开量和错台量

Fig１１　Jointopeningsandstaggerquantitiesundernegativebendingmoment

大轴力截面平均应力从２８１MPa增加到２９７MPa斜螺栓最大应力从６４５９MPa增加到６５４３MPa斜螺栓最大应变从０００３３增加到０００５３斜螺栓

最大应 变 增 加 了 １６ 倍接 头 张 开 量 绝 对 值 从

０1049008０００４mm增加到０９１６７mm错台量从０1049008７１３９mm增加到１１２５２mm由此可知当采用高强螺栓存

在预应力时预应力施加结束螺栓的最大应力已达

到屈服强度之后接头轴力和弯矩的变化对螺栓最

大轴力最大轴力截面平均应力以及最大应力的影

响较小对最大应变接头张开量以及错台量的影响

较大说明施加预应力且螺栓局部达到屈服之后外荷载的增加对螺栓应力影响较小但是对接头和螺

栓变形影响较大符合材料弹塑性变化规律

２３　正弯矩作用下管片接头和斜螺栓的应力与变形

在保持螺栓预应力为２８０kN 和端面压力为

２1049008０８３MPa不变的情况下在管片上下面板逐级施

加０２１０２８０３５０４２０４９０５６MPa的竖向

均布荷载使管片接头产生正弯矩向内侧张开管

片接头实际弯矩和轴力见图１２斜螺栓最大轴力和

最大轴力截面平均应力见图１３斜螺栓最大应力和

最大应变见图 １４管片接 头 张 开 量 和 错 台 量 见

图１５张开量以管片内侧张开为正错台量以手孔

侧管片高于另一侧为正由图１２~１５可知施加２８０kN螺栓预应力情况

下当接头实际弯矩从５３kN1048944m增加到１８２kN1048944m接头实际轴力从９０３kN 增加到１０５６kN 时斜螺

栓最大轴力从１６７kN 增加到２７５kN斜螺栓最大

轴力截面平均应力从２３７MPa增加到３８９MPa斜螺栓最大应力从５５８MPa增加到６９３MPa斜螺栓

最大应变从０1049008００４１增加到０1049008０２４３斜螺栓最大应

变增加了５９倍接头张开量从０１０９５mm 增加

到４８３１８ mm错台量从 １０３１０ mm 增加 到

３1049008２０２４mm与负弯矩情况下不同由于初始阶段

斜螺栓最大应力未达到屈服因此斜螺栓应力应

２４

第６期 张稳军等盾构隧道斜螺栓接头受力性能与火灾下温度分布规律

图１２　正弯矩下接头弯矩和轴力

Fig１２　Bendingmomentsandaxialforcesofjointsunderpositivebendingmoment

图１３　正弯矩下斜螺栓最大轴力和最大轴力截面平均应力

Fig１３　Maximumaxialforcesandaveragestressesofmaximumaxialforcesectionofinclinedboltunderpositivebendingmoment

图１４　正弯矩下斜螺栓最大应力和最大应变

Fig１４　Maximumstressesandmaximumstrainsofinclinedboltunderpositivebendingmoment

变与接头变形变化均较大

２４　斜螺栓轴应力沿螺栓轴线变化规律

在接头 实 际 正 弯 矩 为 １６６kN1048944m轴 力 为

９６６kN和 实 际 负 弯 矩 为 １６８ kN1048944 m轴 力 为

９５６kN情况下得到斜螺栓的轴应力分布见图１６可知斜螺栓轴应力在接缝附近呈现反对称分布并且在负弯矩作用下最大应力应变出现在螺栓

上侧在正弯矩作用下最大应力应变出现在螺

３４

交　通　运　输　工　程　学　报 ２０１８年

图１５　正弯矩下管片接头张开量和错台量

Fig１５　Jointopeningsandstaggerquantitiesunderpositivebendingmoment

图１６　斜螺栓轴应力分布

Fig１６　Axialstressdistributionsofinclinedbolt

栓下侧沿斜螺栓轴线在斜螺栓的上侧和下侧(即斜

螺栓近管环外侧和内侧)各取一条路径分析螺栓

轴应力沿轴线的分布规律见图１７可知变化规

律与云图一致在管片接缝附近斜螺栓的应力达

到了最大值此外在接缝附近斜螺栓上下两侧

的应力发生了明显的突变除接缝外其他部位斜

螺栓的主应力同一横截面基本相等轴应力约为

４００ MPa接 缝 处 轴 应 力 绝 对 值 最 大 可 达

７００MPa并且当弯矩绝对值相同时负弯矩作用

下接缝处螺栓轴应力绝对值略大于正弯矩作用下

轴应力

图１７　斜螺栓轴应力沿轴线变化曲线

Fig１７　Axialstresschangecurvesalongaxisofinclinedbolt

３　火灾情况下温度分布

３１　混凝土热工参数

３１１　混凝土导热系数随温度的变化

根据欧洲规范(Eurocode２DesignofConcreteStructures)混凝土的导热系数常按硅质钙质轻质３类不同骨料成分分别给出计算公式采用硅质

骨料导热系数计算公式

λ１ ＝２－０２４T１

１２０＋００１２ T１

１２０aelig

egraveccedil

ouml

oslashdivide

２

２０leT１ le１２００ (１)式中λ１ 为混凝土的导热系数T１ 为混凝土温度

导热系数与温度的关系见图１８３１２　混凝土比热容随温度的变化

根据欧洲规范(Eurocode２DesignofConcreteStructures)高温下混凝土的比热容计算公式为

C１ ＝９００＋８０T１

１２０－４ T１

１２０aelig

egraveccedil

ouml

oslashdivide

２

２０leT１ le１２００ (２)

４４

第６期 张稳军等盾构隧道斜螺栓接头受力性能与火灾下温度分布规律

图１８　混凝土导热系数与温度关系

Fig１８　Relationshipbetweenthermalconductivityandtemperatureofconcrete

式中C１ 为混凝土的比热容比热容与温度的关系见图１９

图１９　混凝土比热容与温度关系

Fig１９　Relationshipbetweenspecificheatcapacityand

temperatureofconcrete

３２　钢的热工参数

３２１　钢的导热系数随温度的变化

钢的导热系数计算公式为

λ２ ＝５２０８－５０５times１０－５T２２ (３)

式中λ２ 为钢的导热系数T２ 为钢材温度导热系数与温度的关系见图２０

３２２　钢的比热容随温度的变化

钢的比热容计算公式为

C２ ＝４８３＋８０２times１０－４T２２ (４)

式中C２ 为钢的比热容比热容与温度的关系见图２１

３３　温度荷载的施加

对盾构隧道复合管片斜螺栓接头进行火灾情况

下的模拟已知隧道内火灾温度隧道内的高温气体

和衬砌的对流换热系数也可以得到故边界条件属

图２０　钢的导热系数与温度关系

Fig２０　Relationshipbetweenthermalconductivityand

temperatureofsteel

图２１　钢的比热容与温度关系

Fig２１　Relationshipbetweenspecificheat

capacityandtemperatureofsteel

于第３类边界条件

３３１　隧道内升温曲线的确定

要研究火灾对隧道管片及其接头的影响就必

须知道隧道内火灾时的升温曲线升温曲线受多种

因素的影响目前国内外常用的升温曲线主要有３种ISO８３４标准升温曲线RABT 标准升温曲线和

HC标准升温曲线HC标准升温曲线起初用于石

化工程和海洋工程后由于较能反映隧道火灾的升

温特征而被广泛应用到隧道工程的抗火性能研究

中[１６]故本次模拟采用 HC标准升温曲线温度随

时间表达式为

Tt＝T０＋１０８０(１－０３２５e－０１６７t－０６７５e－２５t)(５)式中t为时间T０ 为隧道初始温度本文为２０Tt

为t时刻隧道内的最高温度即环境温度

HC升温曲线见图２２

３３２　对流换热系数的确定

本文在参考了文献[４３０Ｇ３２]的基础上对流换

热系数采用由段文玺[３３]建议的混凝土与高温烟气

５４

交　通　运　输　工　程　学　报 ２０１８年

图２２　HC升温曲线

Fig２２　HeatingupcurveofHC

之间的对流换热系数所拟合的公式

h＝７０５０９７eT３７２５５１９５＋０８４１８４ (６)式中h为对流换热系数T 为热源温度

受火面对流换热系数随温度变化曲线见图２３

图２３　对流换热系数曲线

Fig２３　Curveofconvectiveheattransfercoefficient

非受火面环境温度为２０取h＝１０W1048944(m２1048944)－１

３４　温度场分布规律

在 ABAQUS中采用heattransfer分析步对管

片和斜螺栓接头进行温度分析对于 HC标准升温

曲线隧道内部热源温度从开始加热到达到最高温

度１１００大约需要３０min的时间随后温度保持

稳定初始温度场取２０在受热３h之后得到

管片温度分布见图２４接头细节温度分布见图２５由图２４２５可以看出当受热３h后管片内部和接

缝温度均明显升高最高温度高于１０００说明管

片与隧道内高温气体进行了充分的热交换可见管

片手孔部位温度较高在实际工程中必须进行防火

处理在手孔管片接缝以及螺母处分别取点分析其

温度变化得到其温度变化规律见图２６可见手孔

图２４　管片温度分布

Fig２４　Distributionofsegmenttemperature

图２５　接头温度分布

Fig２５　Distributionofjointtemperature

图２６　螺母手孔和接缝温度曲线

Fig２６　Temperaturecurvesofnuthandholeandseam

处和接缝处混凝土升温较快在８０１００min后已经

达到稳定温度螺母处在１５０min后达到稳定温度稳定温度均在１０００左右虽然３个节点均为直

接受火面节点这种差异可能是由于材料的不同以

及手孔处热气较为集中导致的取螺栓上沿轴线等

距的一系列点进行温度分布规律分析得到斜螺栓

沿轴线各节点温度随受热时间变化见图２７斜螺栓

沿轴线各节点温度随距螺母端距离变化见图２８可以看出整体上距螺母端越远温度越低升温速度

越慢但是在接缝处螺栓的温度会比附近的温度高

４　结　语

(１)使用高强螺栓可以有效减小接头张开量从而增大接头刚度有效减少渗漏水等情况施加预

６４

第６期 张稳军等盾构隧道斜螺栓接头受力性能与火灾下温度分布规律

图２７　斜螺栓沿轴线各节点温度随受热时间变化曲线

Fig２７　Temperaturevariationcurvesofeachnodealongaxisof

inclinedboltwithheatingtime

图２８　斜螺栓沿轴线各节点温度随距螺母端距离变化曲线

Fig２８　Temperaturevariationcurvesofeachnodealongaxisof

inclinedboltwithdistancefromnut

应力情况下初始阶段螺栓局部最大应力易达到屈

服之后接头弯矩和轴力的增加对斜螺栓应力影响

较小但是对斜螺栓应变影响较大若初始阶段斜螺

栓最大应力未达到屈服则斜螺栓应力应变与接头

变形变化均较大(２)常温下由于斜螺栓特有的倾斜角度在接缝

附近斜螺栓上下两侧的应力发生了明显的突变接缝附近斜螺栓的轴应力呈现反对称分布并且在管片

接缝附近斜螺栓的应力达到了最大值除接缝外其

他部位斜螺栓的轴应力基本相等约为４００MPa接缝处斜螺栓轴应力绝对值最大可达７００MPa

(３)火灾情况下手孔处温度上升最快且达到的

温度最高８０min时即可达到１０００需进行防火

处理接缝处混凝土在１００min后达到稳定温度螺母处混凝土在１５０min后达到稳定温度稳定温

度均在１０００左右(４)本文未对高温下以及高温后复合管片斜螺

栓接头的损伤破坏过程进行分析因此需要对斜螺

栓接头在火灾情况下的力学性能及相关内容进行进

一步研究

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10508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898

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10510261051026

laquo交通运输工程学报raquo２０１９年征订通知

laquo交通运输工程学报raquo是由国家教育部主管长安大学主办国务院学位委员会交通运输工程学科评

议组东南大学与西南交通大学共同协办的交通运输领域的学术理论刊物两院院士沈志云教授任名誉

主任委员主要刊载道路与铁道工程载运工具运用工程交通运输规划与管理交通信息工程与控制等

领域高水平的学术论文和重大工程实践项目产生的论文主要读者对象为国内外交通运输领域的科研

人员工程技术人员及大专院校相关专业的师生laquo交通运输工程学报raquo为双月刊大１６开本１９２个页码每期定价１００００元全年共６００００元

可到当地邮局订阅邮发代号为５２Ｇ１９５也可直接汇款至laquo交通运输工程学报raquo编辑部订阅开户银行中国银行西安翠华路支行　　　　　　　　　　账　　号１０２４０７３３７２５８账　　户长安大学杂志社 邮政编码７１００６４联 系 人胡广平 电　　话０２９Ｇ８２３３４３８２地　　址陕西省西安市南二环路中段长安大学杂志社 EＧmailjygcchdeducn

９４

第６期 张稳军等盾构隧道斜螺栓接头受力性能与火灾下温度分布规律

图１２　正弯矩下接头弯矩和轴力

Fig１２　Bendingmomentsandaxialforcesofjointsunderpositivebendingmoment

图１３　正弯矩下斜螺栓最大轴力和最大轴力截面平均应力

Fig１３　Maximumaxialforcesandaveragestressesofmaximumaxialforcesectionofinclinedboltunderpositivebendingmoment

图１４　正弯矩下斜螺栓最大应力和最大应变

Fig１４　Maximumstressesandmaximumstrainsofinclinedboltunderpositivebendingmoment

变与接头变形变化均较大

２４　斜螺栓轴应力沿螺栓轴线变化规律

在接头 实 际 正 弯 矩 为 １６６kN1048944m轴 力 为

９６６kN和 实 际 负 弯 矩 为 １６８ kN1048944 m轴 力 为

９５６kN情况下得到斜螺栓的轴应力分布见图１６可知斜螺栓轴应力在接缝附近呈现反对称分布并且在负弯矩作用下最大应力应变出现在螺栓

上侧在正弯矩作用下最大应力应变出现在螺

３４

交　通　运　输　工　程　学　报 ２０１８年

图１５　正弯矩下管片接头张开量和错台量

Fig１５　Jointopeningsandstaggerquantitiesunderpositivebendingmoment

图１６　斜螺栓轴应力分布

Fig１６　Axialstressdistributionsofinclinedbolt

栓下侧沿斜螺栓轴线在斜螺栓的上侧和下侧(即斜

螺栓近管环外侧和内侧)各取一条路径分析螺栓

轴应力沿轴线的分布规律见图１７可知变化规

律与云图一致在管片接缝附近斜螺栓的应力达

到了最大值此外在接缝附近斜螺栓上下两侧

的应力发生了明显的突变除接缝外其他部位斜

螺栓的主应力同一横截面基本相等轴应力约为

４００ MPa接 缝 处 轴 应 力 绝 对 值 最 大 可 达

７００MPa并且当弯矩绝对值相同时负弯矩作用

下接缝处螺栓轴应力绝对值略大于正弯矩作用下

轴应力

图１７　斜螺栓轴应力沿轴线变化曲线

Fig１７　Axialstresschangecurvesalongaxisofinclinedbolt

３　火灾情况下温度分布

３１　混凝土热工参数

３１１　混凝土导热系数随温度的变化

根据欧洲规范(Eurocode２DesignofConcreteStructures)混凝土的导热系数常按硅质钙质轻质３类不同骨料成分分别给出计算公式采用硅质

骨料导热系数计算公式

λ１ ＝２－０２４T１

１２０＋００１２ T１

１２０aelig

egraveccedil

ouml

oslashdivide

２

２０leT１ le１２００ (１)式中λ１ 为混凝土的导热系数T１ 为混凝土温度

导热系数与温度的关系见图１８３１２　混凝土比热容随温度的变化

根据欧洲规范(Eurocode２DesignofConcreteStructures)高温下混凝土的比热容计算公式为

C１ ＝９００＋８０T１

１２０－４ T１

１２０aelig

egraveccedil

ouml

oslashdivide

２

２０leT１ le１２００ (２)

４４

第６期 张稳军等盾构隧道斜螺栓接头受力性能与火灾下温度分布规律

图１８　混凝土导热系数与温度关系

Fig１８　Relationshipbetweenthermalconductivityandtemperatureofconcrete

式中C１ 为混凝土的比热容比热容与温度的关系见图１９

图１９　混凝土比热容与温度关系

Fig１９　Relationshipbetweenspecificheatcapacityand

temperatureofconcrete

３２　钢的热工参数

３２１　钢的导热系数随温度的变化

钢的导热系数计算公式为

λ２ ＝５２０８－５０５times１０－５T２２ (３)

式中λ２ 为钢的导热系数T２ 为钢材温度导热系数与温度的关系见图２０

３２２　钢的比热容随温度的变化

钢的比热容计算公式为

C２ ＝４８３＋８０２times１０－４T２２ (４)

式中C２ 为钢的比热容比热容与温度的关系见图２１

３３　温度荷载的施加

对盾构隧道复合管片斜螺栓接头进行火灾情况

下的模拟已知隧道内火灾温度隧道内的高温气体

和衬砌的对流换热系数也可以得到故边界条件属

图２０　钢的导热系数与温度关系

Fig２０　Relationshipbetweenthermalconductivityand

temperatureofsteel

图２１　钢的比热容与温度关系

Fig２１　Relationshipbetweenspecificheat

capacityandtemperatureofsteel

于第３类边界条件

３３１　隧道内升温曲线的确定

要研究火灾对隧道管片及其接头的影响就必

须知道隧道内火灾时的升温曲线升温曲线受多种

因素的影响目前国内外常用的升温曲线主要有３种ISO８３４标准升温曲线RABT 标准升温曲线和

HC标准升温曲线HC标准升温曲线起初用于石

化工程和海洋工程后由于较能反映隧道火灾的升

温特征而被广泛应用到隧道工程的抗火性能研究

中[１６]故本次模拟采用 HC标准升温曲线温度随

时间表达式为

Tt＝T０＋１０８０(１－０３２５e－０１６７t－０６７５e－２５t)(５)式中t为时间T０ 为隧道初始温度本文为２０Tt

为t时刻隧道内的最高温度即环境温度

HC升温曲线见图２２

３３２　对流换热系数的确定

本文在参考了文献[４３０Ｇ３２]的基础上对流换

热系数采用由段文玺[３３]建议的混凝土与高温烟气

５４

交　通　运　输　工　程　学　报 ２０１８年

图２２　HC升温曲线

Fig２２　HeatingupcurveofHC

之间的对流换热系数所拟合的公式

h＝７０５０９７eT３７２５５１９５＋０８４１８４ (６)式中h为对流换热系数T 为热源温度

受火面对流换热系数随温度变化曲线见图２３

图２３　对流换热系数曲线

Fig２３　Curveofconvectiveheattransfercoefficient

非受火面环境温度为２０取h＝１０W1048944(m２1048944)－１

３４　温度场分布规律

在 ABAQUS中采用heattransfer分析步对管

片和斜螺栓接头进行温度分析对于 HC标准升温

曲线隧道内部热源温度从开始加热到达到最高温

度１１００大约需要３０min的时间随后温度保持

稳定初始温度场取２０在受热３h之后得到

管片温度分布见图２４接头细节温度分布见图２５由图２４２５可以看出当受热３h后管片内部和接

缝温度均明显升高最高温度高于１０００说明管

片与隧道内高温气体进行了充分的热交换可见管

片手孔部位温度较高在实际工程中必须进行防火

处理在手孔管片接缝以及螺母处分别取点分析其

温度变化得到其温度变化规律见图２６可见手孔

图２４　管片温度分布

Fig２４　Distributionofsegmenttemperature

图２５　接头温度分布

Fig２５　Distributionofjointtemperature

图２６　螺母手孔和接缝温度曲线

Fig２６　Temperaturecurvesofnuthandholeandseam

处和接缝处混凝土升温较快在８０１００min后已经

达到稳定温度螺母处在１５０min后达到稳定温度稳定温度均在１０００左右虽然３个节点均为直

接受火面节点这种差异可能是由于材料的不同以

及手孔处热气较为集中导致的取螺栓上沿轴线等

距的一系列点进行温度分布规律分析得到斜螺栓

沿轴线各节点温度随受热时间变化见图２７斜螺栓

沿轴线各节点温度随距螺母端距离变化见图２８可以看出整体上距螺母端越远温度越低升温速度

越慢但是在接缝处螺栓的温度会比附近的温度高

４　结　语

(１)使用高强螺栓可以有效减小接头张开量从而增大接头刚度有效减少渗漏水等情况施加预

６４

第６期 张稳军等盾构隧道斜螺栓接头受力性能与火灾下温度分布规律

图２７　斜螺栓沿轴线各节点温度随受热时间变化曲线

Fig２７　Temperaturevariationcurvesofeachnodealongaxisof

inclinedboltwithheatingtime

图２８　斜螺栓沿轴线各节点温度随距螺母端距离变化曲线

Fig２８　Temperaturevariationcurvesofeachnodealongaxisof

inclinedboltwithdistancefromnut

应力情况下初始阶段螺栓局部最大应力易达到屈

服之后接头弯矩和轴力的增加对斜螺栓应力影响

较小但是对斜螺栓应变影响较大若初始阶段斜螺

栓最大应力未达到屈服则斜螺栓应力应变与接头

变形变化均较大(２)常温下由于斜螺栓特有的倾斜角度在接缝

附近斜螺栓上下两侧的应力发生了明显的突变接缝附近斜螺栓的轴应力呈现反对称分布并且在管片

接缝附近斜螺栓的应力达到了最大值除接缝外其

他部位斜螺栓的轴应力基本相等约为４００MPa接缝处斜螺栓轴应力绝对值最大可达７００MPa

(３)火灾情况下手孔处温度上升最快且达到的

温度最高８０min时即可达到１０００需进行防火

处理接缝处混凝土在１００min后达到稳定温度螺母处混凝土在１５０min后达到稳定温度稳定温

度均在１０００左右(４)本文未对高温下以及高温后复合管片斜螺

栓接头的损伤破坏过程进行分析因此需要对斜螺

栓接头在火灾情况下的力学性能及相关内容进行进

一步研究

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10510261051026

laquo交通运输工程学报raquo２０１９年征订通知

laquo交通运输工程学报raquo是由国家教育部主管长安大学主办国务院学位委员会交通运输工程学科评

议组东南大学与西南交通大学共同协办的交通运输领域的学术理论刊物两院院士沈志云教授任名誉

主任委员主要刊载道路与铁道工程载运工具运用工程交通运输规划与管理交通信息工程与控制等

领域高水平的学术论文和重大工程实践项目产生的论文主要读者对象为国内外交通运输领域的科研

人员工程技术人员及大专院校相关专业的师生laquo交通运输工程学报raquo为双月刊大１６开本１９２个页码每期定价１００００元全年共６００００元

可到当地邮局订阅邮发代号为５２Ｇ１９５也可直接汇款至laquo交通运输工程学报raquo编辑部订阅开户银行中国银行西安翠华路支行　　　　　　　　　　账　　号１０２４０７３３７２５８账　　户长安大学杂志社 邮政编码７１００６４联 系 人胡广平 电　　话０２９Ｇ８２３３４３８２地　　址陕西省西安市南二环路中段长安大学杂志社 EＧmailjygcchdeducn

９４

交　通　运　输　工　程　学　报 ２０１８年

图１５　正弯矩下管片接头张开量和错台量

Fig１５　Jointopeningsandstaggerquantitiesunderpositivebendingmoment

图１６　斜螺栓轴应力分布

Fig１６　Axialstressdistributionsofinclinedbolt

栓下侧沿斜螺栓轴线在斜螺栓的上侧和下侧(即斜

螺栓近管环外侧和内侧)各取一条路径分析螺栓

轴应力沿轴线的分布规律见图１７可知变化规

律与云图一致在管片接缝附近斜螺栓的应力达

到了最大值此外在接缝附近斜螺栓上下两侧

的应力发生了明显的突变除接缝外其他部位斜

螺栓的主应力同一横截面基本相等轴应力约为

４００ MPa接 缝 处 轴 应 力 绝 对 值 最 大 可 达

７００MPa并且当弯矩绝对值相同时负弯矩作用

下接缝处螺栓轴应力绝对值略大于正弯矩作用下

轴应力

图１７　斜螺栓轴应力沿轴线变化曲线

Fig１７　Axialstresschangecurvesalongaxisofinclinedbolt

３　火灾情况下温度分布

３１　混凝土热工参数

３１１　混凝土导热系数随温度的变化

根据欧洲规范(Eurocode２DesignofConcreteStructures)混凝土的导热系数常按硅质钙质轻质３类不同骨料成分分别给出计算公式采用硅质

骨料导热系数计算公式

λ１ ＝２－０２４T１

１２０＋００１２ T１

１２０aelig

egraveccedil

ouml

oslashdivide

２

２０leT１ le１２００ (１)式中λ１ 为混凝土的导热系数T１ 为混凝土温度

导热系数与温度的关系见图１８３１２　混凝土比热容随温度的变化

根据欧洲规范(Eurocode２DesignofConcreteStructures)高温下混凝土的比热容计算公式为

C１ ＝９００＋８０T１

１２０－４ T１

１２０aelig

egraveccedil

ouml

oslashdivide

２

２０leT１ le１２００ (２)

４４

第６期 张稳军等盾构隧道斜螺栓接头受力性能与火灾下温度分布规律

图１８　混凝土导热系数与温度关系

Fig１８　Relationshipbetweenthermalconductivityandtemperatureofconcrete

式中C１ 为混凝土的比热容比热容与温度的关系见图１９

图１９　混凝土比热容与温度关系

Fig１９　Relationshipbetweenspecificheatcapacityand

temperatureofconcrete

３２　钢的热工参数

３２１　钢的导热系数随温度的变化

钢的导热系数计算公式为

λ２ ＝５２０８－５０５times１０－５T２２ (３)

式中λ２ 为钢的导热系数T２ 为钢材温度导热系数与温度的关系见图２０

３２２　钢的比热容随温度的变化

钢的比热容计算公式为

C２ ＝４８３＋８０２times１０－４T２２ (４)

式中C２ 为钢的比热容比热容与温度的关系见图２１

３３　温度荷载的施加

对盾构隧道复合管片斜螺栓接头进行火灾情况

下的模拟已知隧道内火灾温度隧道内的高温气体

和衬砌的对流换热系数也可以得到故边界条件属

图２０　钢的导热系数与温度关系

Fig２０　Relationshipbetweenthermalconductivityand

temperatureofsteel

图２１　钢的比热容与温度关系

Fig２１　Relationshipbetweenspecificheat

capacityandtemperatureofsteel

于第３类边界条件

３３１　隧道内升温曲线的确定

要研究火灾对隧道管片及其接头的影响就必

须知道隧道内火灾时的升温曲线升温曲线受多种

因素的影响目前国内外常用的升温曲线主要有３种ISO８３４标准升温曲线RABT 标准升温曲线和

HC标准升温曲线HC标准升温曲线起初用于石

化工程和海洋工程后由于较能反映隧道火灾的升

温特征而被广泛应用到隧道工程的抗火性能研究

中[１６]故本次模拟采用 HC标准升温曲线温度随

时间表达式为

Tt＝T０＋１０８０(１－０３２５e－０１６７t－０６７５e－２５t)(５)式中t为时间T０ 为隧道初始温度本文为２０Tt

为t时刻隧道内的最高温度即环境温度

HC升温曲线见图２２

３３２　对流换热系数的确定

本文在参考了文献[４３０Ｇ３２]的基础上对流换

热系数采用由段文玺[３３]建议的混凝土与高温烟气

５４

交　通　运　输　工　程　学　报 ２０１８年

图２２　HC升温曲线

Fig２２　HeatingupcurveofHC

之间的对流换热系数所拟合的公式

h＝７０５０９７eT３７２５５１９５＋０８４１８４ (６)式中h为对流换热系数T 为热源温度

受火面对流换热系数随温度变化曲线见图２３

图２３　对流换热系数曲线

Fig２３　Curveofconvectiveheattransfercoefficient

非受火面环境温度为２０取h＝１０W1048944(m２1048944)－１

３４　温度场分布规律

在 ABAQUS中采用heattransfer分析步对管

片和斜螺栓接头进行温度分析对于 HC标准升温

曲线隧道内部热源温度从开始加热到达到最高温

度１１００大约需要３０min的时间随后温度保持

稳定初始温度场取２０在受热３h之后得到

管片温度分布见图２４接头细节温度分布见图２５由图２４２５可以看出当受热３h后管片内部和接

缝温度均明显升高最高温度高于１０００说明管

片与隧道内高温气体进行了充分的热交换可见管

片手孔部位温度较高在实际工程中必须进行防火

处理在手孔管片接缝以及螺母处分别取点分析其

温度变化得到其温度变化规律见图２６可见手孔

图２４　管片温度分布

Fig２４　Distributionofsegmenttemperature

图２５　接头温度分布

Fig２５　Distributionofjointtemperature

图２６　螺母手孔和接缝温度曲线

Fig２６　Temperaturecurvesofnuthandholeandseam

处和接缝处混凝土升温较快在８０１００min后已经

达到稳定温度螺母处在１５０min后达到稳定温度稳定温度均在１０００左右虽然３个节点均为直

接受火面节点这种差异可能是由于材料的不同以

及手孔处热气较为集中导致的取螺栓上沿轴线等

距的一系列点进行温度分布规律分析得到斜螺栓

沿轴线各节点温度随受热时间变化见图２７斜螺栓

沿轴线各节点温度随距螺母端距离变化见图２８可以看出整体上距螺母端越远温度越低升温速度

越慢但是在接缝处螺栓的温度会比附近的温度高

４　结　语

(１)使用高强螺栓可以有效减小接头张开量从而增大接头刚度有效减少渗漏水等情况施加预

６４

第６期 张稳军等盾构隧道斜螺栓接头受力性能与火灾下温度分布规律

图２７　斜螺栓沿轴线各节点温度随受热时间变化曲线

Fig２７　Temperaturevariationcurvesofeachnodealongaxisof

inclinedboltwithheatingtime

图２８　斜螺栓沿轴线各节点温度随距螺母端距离变化曲线

Fig２８　Temperaturevariationcurvesofeachnodealongaxisof

inclinedboltwithdistancefromnut

应力情况下初始阶段螺栓局部最大应力易达到屈

服之后接头弯矩和轴力的增加对斜螺栓应力影响

较小但是对斜螺栓应变影响较大若初始阶段斜螺

栓最大应力未达到屈服则斜螺栓应力应变与接头

变形变化均较大(２)常温下由于斜螺栓特有的倾斜角度在接缝

附近斜螺栓上下两侧的应力发生了明显的突变接缝附近斜螺栓的轴应力呈现反对称分布并且在管片

接缝附近斜螺栓的应力达到了最大值除接缝外其

他部位斜螺栓的轴应力基本相等约为４００MPa接缝处斜螺栓轴应力绝对值最大可达７００MPa

(３)火灾情况下手孔处温度上升最快且达到的

温度最高８０min时即可达到１０００需进行防火

处理接缝处混凝土在１００min后达到稳定温度螺母处混凝土在１５０min后达到稳定温度稳定温

度均在１０００左右(４)本文未对高温下以及高温后复合管片斜螺

栓接头的损伤破坏过程进行分析因此需要对斜螺

栓接头在火灾情况下的力学性能及相关内容进行进

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ZHAO WuＧshengCHEN WeiＧzhongYANGFanStudyof

theinterfacemechanicalpropertiesofconcretesegmentsin

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７４

交　通　运　输　工　程　学　报 ２０１８年

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８４

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10508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898

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laquo交通运输工程学报raquo２０１９年征订通知

laquo交通运输工程学报raquo是由国家教育部主管长安大学主办国务院学位委员会交通运输工程学科评

议组东南大学与西南交通大学共同协办的交通运输领域的学术理论刊物两院院士沈志云教授任名誉

主任委员主要刊载道路与铁道工程载运工具运用工程交通运输规划与管理交通信息工程与控制等

领域高水平的学术论文和重大工程实践项目产生的论文主要读者对象为国内外交通运输领域的科研

人员工程技术人员及大专院校相关专业的师生laquo交通运输工程学报raquo为双月刊大１６开本１９２个页码每期定价１００００元全年共６００００元

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９４

第６期 张稳军等盾构隧道斜螺栓接头受力性能与火灾下温度分布规律

图１８　混凝土导热系数与温度关系

Fig１８　Relationshipbetweenthermalconductivityandtemperatureofconcrete

式中C１ 为混凝土的比热容比热容与温度的关系见图１９

图１９　混凝土比热容与温度关系

Fig１９　Relationshipbetweenspecificheatcapacityand

temperatureofconcrete

３２　钢的热工参数

３２１　钢的导热系数随温度的变化

钢的导热系数计算公式为

λ２ ＝５２０８－５０５times１０－５T２２ (３)

式中λ２ 为钢的导热系数T２ 为钢材温度导热系数与温度的关系见图２０

３２２　钢的比热容随温度的变化

钢的比热容计算公式为

C２ ＝４８３＋８０２times１０－４T２２ (４)

式中C２ 为钢的比热容比热容与温度的关系见图２１

３３　温度荷载的施加

对盾构隧道复合管片斜螺栓接头进行火灾情况

下的模拟已知隧道内火灾温度隧道内的高温气体

和衬砌的对流换热系数也可以得到故边界条件属

图２０　钢的导热系数与温度关系

Fig２０　Relationshipbetweenthermalconductivityand

temperatureofsteel

图２１　钢的比热容与温度关系

Fig２１　Relationshipbetweenspecificheat

capacityandtemperatureofsteel

于第３类边界条件

３３１　隧道内升温曲线的确定

要研究火灾对隧道管片及其接头的影响就必

须知道隧道内火灾时的升温曲线升温曲线受多种

因素的影响目前国内外常用的升温曲线主要有３种ISO８３４标准升温曲线RABT 标准升温曲线和

HC标准升温曲线HC标准升温曲线起初用于石

化工程和海洋工程后由于较能反映隧道火灾的升

温特征而被广泛应用到隧道工程的抗火性能研究

中[１６]故本次模拟采用 HC标准升温曲线温度随

时间表达式为

Tt＝T０＋１０８０(１－０３２５e－０１６７t－０６７５e－２５t)(５)式中t为时间T０ 为隧道初始温度本文为２０Tt

为t时刻隧道内的最高温度即环境温度

HC升温曲线见图２２

３３２　对流换热系数的确定

本文在参考了文献[４３０Ｇ３２]的基础上对流换

热系数采用由段文玺[３３]建议的混凝土与高温烟气

５４

交　通　运　输　工　程　学　报 ２０１８年

图２２　HC升温曲线

Fig２２　HeatingupcurveofHC

之间的对流换热系数所拟合的公式

h＝７０５０９７eT３７２５５１９５＋０８４１８４ (６)式中h为对流换热系数T 为热源温度

受火面对流换热系数随温度变化曲线见图２３

图２３　对流换热系数曲线

Fig２３　Curveofconvectiveheattransfercoefficient

非受火面环境温度为２０取h＝１０W1048944(m２1048944)－１

３４　温度场分布规律

在 ABAQUS中采用heattransfer分析步对管

片和斜螺栓接头进行温度分析对于 HC标准升温

曲线隧道内部热源温度从开始加热到达到最高温

度１１００大约需要３０min的时间随后温度保持

稳定初始温度场取２０在受热３h之后得到

管片温度分布见图２４接头细节温度分布见图２５由图２４２５可以看出当受热３h后管片内部和接

缝温度均明显升高最高温度高于１０００说明管

片与隧道内高温气体进行了充分的热交换可见管

片手孔部位温度较高在实际工程中必须进行防火

处理在手孔管片接缝以及螺母处分别取点分析其

温度变化得到其温度变化规律见图２６可见手孔

图２４　管片温度分布

Fig２４　Distributionofsegmenttemperature

图２５　接头温度分布

Fig２５　Distributionofjointtemperature

图２６　螺母手孔和接缝温度曲线

Fig２６　Temperaturecurvesofnuthandholeandseam

处和接缝处混凝土升温较快在８０１００min后已经

达到稳定温度螺母处在１５０min后达到稳定温度稳定温度均在１０００左右虽然３个节点均为直

接受火面节点这种差异可能是由于材料的不同以

及手孔处热气较为集中导致的取螺栓上沿轴线等

距的一系列点进行温度分布规律分析得到斜螺栓

沿轴线各节点温度随受热时间变化见图２７斜螺栓

沿轴线各节点温度随距螺母端距离变化见图２８可以看出整体上距螺母端越远温度越低升温速度

越慢但是在接缝处螺栓的温度会比附近的温度高

４　结　语

(１)使用高强螺栓可以有效减小接头张开量从而增大接头刚度有效减少渗漏水等情况施加预

６４

第６期 张稳军等盾构隧道斜螺栓接头受力性能与火灾下温度分布规律

图２７　斜螺栓沿轴线各节点温度随受热时间变化曲线

Fig２７　Temperaturevariationcurvesofeachnodealongaxisof

inclinedboltwithheatingtime

图２８　斜螺栓沿轴线各节点温度随距螺母端距离变化曲线

Fig２８　Temperaturevariationcurvesofeachnodealongaxisof

inclinedboltwithdistancefromnut

应力情况下初始阶段螺栓局部最大应力易达到屈

服之后接头弯矩和轴力的增加对斜螺栓应力影响

较小但是对斜螺栓应变影响较大若初始阶段斜螺

栓最大应力未达到屈服则斜螺栓应力应变与接头

变形变化均较大(２)常温下由于斜螺栓特有的倾斜角度在接缝

附近斜螺栓上下两侧的应力发生了明显的突变接缝附近斜螺栓的轴应力呈现反对称分布并且在管片

接缝附近斜螺栓的应力达到了最大值除接缝外其

他部位斜螺栓的轴应力基本相等约为４００MPa接缝处斜螺栓轴应力绝对值最大可达７００MPa

(３)火灾情况下手孔处温度上升最快且达到的

温度最高８０min时即可达到１０００需进行防火

处理接缝处混凝土在１００min后达到稳定温度螺母处混凝土在１５０min后达到稳定温度稳定温

度均在１０００左右(４)本文未对高温下以及高温后复合管片斜螺

栓接头的损伤破坏过程进行分析因此需要对斜螺

栓接头在火灾情况下的力学性能及相关内容进行进

一步研究

参考 文 献

References

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性能劣化规律试验研究[J]土木工程学报２０１５４８(增１)

２４４Ｇ２４９

LIU TengYUAN DaＧjunZHANG HaiExperimental

studyonwaterproofperformancedeteriorationregulationof

shield segment joint rubber in environment of high

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４８(S１)２４４Ｇ２４９(inChinese)

[２３]　刘　腾袁大军王安华等火灾对原型盾构管片接头防水性

能损伤试验研究[J]土木工程学报２０１６４９(７)１１６Ｇ１２２

LIUTengYUANDaＧjunWANG AnＧhuaetalExperimental

studyonwatertightperformanceofprototypeshieldtunnel

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[２４]　严佳梁盾构隧道管片接头形式的探讨与选择[J]建筑技术

２００９４０(３)２６９Ｇ２７２

YANJiaＧliangDiscussionandselectionofsegmentjointtype

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２６９Ｇ２７２(inChinese)

[２５]　市原三馨水野敬三道越真太郎等耐火セグメント継手部

における火災時挙動の実験的および解析的研究[J]大成建

設技術センター報２００８４１１Ｇ６

ICHIHARA S MIZUNO K MICHIKOSHI Set al

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[２６]　郭　瑞何　川苏宗贤等盾构隧道管片接头抗剪力学性能

研究[J]现代隧道技术２０１１４８(４)７２Ｇ７７

GUO RuiHE ChuanSU ZongＧxianetalStudy of

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８４

第６期 张稳军等盾构隧道斜螺栓接头受力性能与火灾下温度分布规律

WU LanＧtingFEM analysison mechanicalbehaviorsof

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ZHANG WenＧjunJIN MingＧmingSURenetalExperiment

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模拟[J]中国公路学报２０１６２９(１)９６Ｇ１０４１１４

GUOJunLIUShuaiJIANGShuＧpingFireＧprooftestand

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10508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898

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laquo交通运输工程学报raquo２０１９年征订通知

laquo交通运输工程学报raquo是由国家教育部主管长安大学主办国务院学位委员会交通运输工程学科评

议组东南大学与西南交通大学共同协办的交通运输领域的学术理论刊物两院院士沈志云教授任名誉

主任委员主要刊载道路与铁道工程载运工具运用工程交通运输规划与管理交通信息工程与控制等

领域高水平的学术论文和重大工程实践项目产生的论文主要读者对象为国内外交通运输领域的科研

人员工程技术人员及大专院校相关专业的师生laquo交通运输工程学报raquo为双月刊大１６开本１９２个页码每期定价１００００元全年共６００００元

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９４

交　通　运　输　工　程　学　报 ２０１８年

图２２　HC升温曲线

Fig２２　HeatingupcurveofHC

之间的对流换热系数所拟合的公式

h＝７０５０９７eT３７２５５１９５＋０８４１８４ (６)式中h为对流换热系数T 为热源温度

受火面对流换热系数随温度变化曲线见图２３

图２３　对流换热系数曲线

Fig２３　Curveofconvectiveheattransfercoefficient

非受火面环境温度为２０取h＝１０W1048944(m２1048944)－１

３４　温度场分布规律

在 ABAQUS中采用heattransfer分析步对管

片和斜螺栓接头进行温度分析对于 HC标准升温

曲线隧道内部热源温度从开始加热到达到最高温

度１１００大约需要３０min的时间随后温度保持

稳定初始温度场取２０在受热３h之后得到

管片温度分布见图２４接头细节温度分布见图２５由图２４２５可以看出当受热３h后管片内部和接

缝温度均明显升高最高温度高于１０００说明管

片与隧道内高温气体进行了充分的热交换可见管

片手孔部位温度较高在实际工程中必须进行防火

处理在手孔管片接缝以及螺母处分别取点分析其

温度变化得到其温度变化规律见图２６可见手孔

图２４　管片温度分布

Fig２４　Distributionofsegmenttemperature

图２５　接头温度分布

Fig２５　Distributionofjointtemperature

图２６　螺母手孔和接缝温度曲线

Fig２６　Temperaturecurvesofnuthandholeandseam

处和接缝处混凝土升温较快在８０１００min后已经

达到稳定温度螺母处在１５０min后达到稳定温度稳定温度均在１０００左右虽然３个节点均为直

接受火面节点这种差异可能是由于材料的不同以

及手孔处热气较为集中导致的取螺栓上沿轴线等

距的一系列点进行温度分布规律分析得到斜螺栓

沿轴线各节点温度随受热时间变化见图２７斜螺栓

沿轴线各节点温度随距螺母端距离变化见图２８可以看出整体上距螺母端越远温度越低升温速度

越慢但是在接缝处螺栓的温度会比附近的温度高

４　结　语

(１)使用高强螺栓可以有效减小接头张开量从而增大接头刚度有效减少渗漏水等情况施加预

６４

第６期 张稳军等盾构隧道斜螺栓接头受力性能与火灾下温度分布规律

图２７　斜螺栓沿轴线各节点温度随受热时间变化曲线

Fig２７　Temperaturevariationcurvesofeachnodealongaxisof

inclinedboltwithheatingtime

图２８　斜螺栓沿轴线各节点温度随距螺母端距离变化曲线

Fig２８　Temperaturevariationcurvesofeachnodealongaxisof

inclinedboltwithdistancefromnut

应力情况下初始阶段螺栓局部最大应力易达到屈

服之后接头弯矩和轴力的增加对斜螺栓应力影响

较小但是对斜螺栓应变影响较大若初始阶段斜螺

栓最大应力未达到屈服则斜螺栓应力应变与接头

变形变化均较大(２)常温下由于斜螺栓特有的倾斜角度在接缝

附近斜螺栓上下两侧的应力发生了明显的突变接缝附近斜螺栓的轴应力呈现反对称分布并且在管片

接缝附近斜螺栓的应力达到了最大值除接缝外其

他部位斜螺栓的轴应力基本相等约为４００MPa接缝处斜螺栓轴应力绝对值最大可达７００MPa

(３)火灾情况下手孔处温度上升最快且达到的

温度最高８０min时即可达到１０００需进行防火

处理接缝处混凝土在１００min后达到稳定温度螺母处混凝土在１５０min后达到稳定温度稳定温

度均在１０００左右(４)本文未对高温下以及高温后复合管片斜螺

栓接头的损伤破坏过程进行分析因此需要对斜螺

栓接头在火灾情况下的力学性能及相关内容进行进

一步研究

参考 文 献

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laquo交通运输工程学报raquo２０１９年征订通知

laquo交通运输工程学报raquo是由国家教育部主管长安大学主办国务院学位委员会交通运输工程学科评

议组东南大学与西南交通大学共同协办的交通运输领域的学术理论刊物两院院士沈志云教授任名誉

主任委员主要刊载道路与铁道工程载运工具运用工程交通运输规划与管理交通信息工程与控制等

领域高水平的学术论文和重大工程实践项目产生的论文主要读者对象为国内外交通运输领域的科研

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９４

第６期 张稳军等盾构隧道斜螺栓接头受力性能与火灾下温度分布规律

图２７　斜螺栓沿轴线各节点温度随受热时间变化曲线

Fig２７　Temperaturevariationcurvesofeachnodealongaxisof

inclinedboltwithheatingtime

图２８　斜螺栓沿轴线各节点温度随距螺母端距离变化曲线

Fig２８　Temperaturevariationcurvesofeachnodealongaxisof

inclinedboltwithdistancefromnut

应力情况下初始阶段螺栓局部最大应力易达到屈

服之后接头弯矩和轴力的增加对斜螺栓应力影响

较小但是对斜螺栓应变影响较大若初始阶段斜螺

栓最大应力未达到屈服则斜螺栓应力应变与接头

变形变化均较大(２)常温下由于斜螺栓特有的倾斜角度在接缝

附近斜螺栓上下两侧的应力发生了明显的突变接缝附近斜螺栓的轴应力呈现反对称分布并且在管片

接缝附近斜螺栓的应力达到了最大值除接缝外其

他部位斜螺栓的轴应力基本相等约为４００MPa接缝处斜螺栓轴应力绝对值最大可达７００MPa

(３)火灾情况下手孔处温度上升最快且达到的

温度最高８０min时即可达到１０００需进行防火

处理接缝处混凝土在１００min后达到稳定温度螺母处混凝土在１５０min后达到稳定温度稳定温

度均在１０００左右(４)本文未对高温下以及高温后复合管片斜螺

栓接头的损伤破坏过程进行分析因此需要对斜螺

栓接头在火灾情况下的力学性能及相关内容进行进

一步研究

参考 文 献

References

[１]　叶　飞陈　治苟长飞等基于球孔扩张的盾构隧道壁后注

浆压密模型[J]交通运输工程学报２０１４１４(１)３５Ｇ４２

YE FeiCHEN ZhiGOU ChangＧfeietalBackＧfilled

groutingcompactionmodelofshieldtunnelbasedonspherical

cavityexpansion[J]JournalofTrafficandTransportation

Engineering２０１４１４(１)３５Ｇ４２(inChinese)

[２]　ZHANGWenＧjunWANGJHJINMingＧmingetalNumerical

analysisofDRCsegmentunderinnerwaterpressurebasedon

fullＧscaletestverificationforshieldtunnel[J]Tunnelling

andUndergroundSpaceTechnology２０１６５６１５７Ｇ１６７[３]　ZHANG WenＧjunKOIZUMI ABehaviorofcomposite

segmentforshieldtunnel[J]TunnellingandUnderground

SpaceTechnology２０１０２５(４)３２５Ｇ３３２[４]　罗　超盾构隧道管片接头高温力学行为与结构剩余承载力

研究[D]长沙中南大学２０１４

LUOChaoAstudyonmechanicalbehaviorsofshieldtunnel

segmentjointand structuralresidualcapacity underfire

scenarios[D]ChangshaCentralSouth University２０１４(inChinese)

[５]　ZHANG WenＧjunKOIZUMIAAstudyofthelocalized

bearing capacity of reinforced concrete KＧsegment[J]

TunnellingandUndergroundSpaceTechnology２００７２２(４)

４６７Ｇ４７３[６]　赵武胜陈卫忠杨　帆盾构隧道管片混凝土接触面力学性

能研究[J]现代隧道技术２０１５５２(３)１１９Ｇ１２６

ZHAO WuＧshengCHEN WeiＧzhongYANGFanStudyof

theinterfacemechanicalpropertiesofconcretesegmentsin

shieldtunnels[J]ModernTunnellingTechnology２０１５５２(３)

１１９Ｇ１２６(inChinese)

[７]　孟振江彭建兵黄强兵等三类勘察场地地裂缝活动对地铁

隧道的影响[J]交通运输工程学报２０１７１７(２)４１Ｇ５１

MENGZhenＧjiangPENGJianＧbingHUANG QiangＧbing

etalInfluenceofgroundfissureactivityonsubwaytunnelin

thirdＧkindsurveyingsite[J]JournalofTrafficandTransportation

Engineering２０１７１７(２)４１Ｇ５１(inChinese)

[８]　强　健地铁隧道衬砌结构火灾损伤与灾后评估方法研究[D]上海同济大学２００７

QIANGJianAstudyonfiredamagetosubwaytunnellining

andevaluation methodafterfirescenarios[D]Shanghai

TongjiUniversity２００７(inChinese)

[９]　师永翔赵武胜大直径盾构隧道管片接头抗弯性能研究[J]现代隧道技术２０１３５０(１)１１５Ｇ１２２１３３

SHIYongＧxiangZHAO WuＧshengResearchonflexural

７４

交　通　运　输　工　程　学　报 ２０１８年

rigidityofthesegmentjointofalargeＧdiametershieldtunnel[J]

ModernTunnelling Technology２０１３５０(１)１１５Ｇ１２２１３３(inChinese)

[１０]　朱合华崔茂玉杨金松盾构衬砌管片的设计模型与荷载分

布的研究[J]岩土工程学报２０００２２(２)１９０Ｇ１９４

ZHU HeＧhuaCUIMaoＧyuYANGJinＧsongDesignmodel

forshieldlining segmentsand distribution ofload[J]

ChineseJournalofGeotechnicalEngineering２０００２２(２)

１９０Ｇ１９４(inChinese)

[１１]　张冬梅樊振宇黄宏伟考虑接头力学特性的盾构隧道衬砌

结构计算方法研究[J]岩土力学２０１０３１(８)２５４６Ｇ２５５２

ZHANG DongＧmeiFAN ZhenＧyu HUANG HongＧwei

Calculation method of shield tunnel lining considering

mechanicalcharacteristics ofjoints[J] Rock and Soil

Mechanics２０１０３１(８)２５４６Ｇ２５５２(inChinese)

[１２]　董新平解枫赞一类盾构管片接头破坏历程的解析解[J]岩土工程学报２０１３３５(１０)１８７０Ｇ１８７５

DONG XinＧping XIE FengＧzan Analytical solution of

segmentjointmodelforsegmentedtunnellining[J]Chinese

JournalofGeotechnicalEngineering２０１３３５(１０)１８７０Ｇ１８７５(inChinese)

[１３]　张稳军张新新张云旆斜螺栓等级对盾构隧道接头受力和变

形的影响[J]地下空间与工程学报２０１８１４(增１)２２７Ｇ２３４

ZHANG WenＧjunZHANG XinＧxinZHANG YunＧpei

Influenceofinclined boltgrade on bearing capacity and

deformationofshieldtunneljoint[J]ChineseJournalof

UndergroundSpaceandEngineering２０１８１４(S１)２２７Ｇ２３４(inChinese)

[１４]　张稳军张高乐雷华阳基于塑性损伤的盾构隧道 FRPＧkey接头抗剪性能及布置方式合理性研究[J]中国公路学报

２０１７３０(８)３８Ｇ４８

ZHANG WenＧjun ZHANG GaoＧle LEI HuaＧyang

ResearchonshearperformanceofFRPＧkeyjointforshield

tunnelandrationalityofarrangementbasedonplasticＧdamage

model[J]ChinaJournalofHighwayandTransport２０１７

３０(８)３８Ｇ４８(inChinese)

[１５]　ABANTOJREGGIOMBARRERODetalPredictionof

fireandsmokepropagationinanunderwatertunnel[J]

TunnellingandUndergroundSpaceTechnology２００７２２(１)

９０Ｇ９５[１６]　MIGOYAECRESPO AGARCLAJetalAsimplified

modeloffiresin road tunnelsComparison with threeＧ

dimensional models and fullＧscale measurements[J]

TunnellingandUndergroundSpaceTechnology２００９２４(１)

３７Ｇ５２[１７]　YANZhiＧguoZHUHeＧhuaJUJWBehaviorofreinforced

concreteandsteelfiberreinforcedconcreteshieldTBMtunnel

liningsexposedtohightemperatures[J]Constructionand

BuildingMaterials２０１３３８６１０Ｇ６１８[１８]　YANZhiＧguoSHENYiZHUHeＧhuaetalExperimental

study of tunnel segmentaljoints subjected to elevated

temperature[J]TunnellingandUndergroundSpaceTechnology

２０１６５３４６Ｇ６０[１９]　闫治国隧道衬砌结构火灾高温力学行为及耐火方法研究[D]

上海同济大学２００７

YANZhiＧguoAstudyonmechanicalbehaviorsandfireproof

methodsoftunnellining structure during and afterfire

scenarios[D]ShanghaiTongjiUniversity２００７(inChinese)

[２０]　郭信君盾构隧道混凝土管片构件抗火性能试验及模拟分析

研究[D]长沙中南大学２０１３

GUOXinＧjunExperimentalstudyandnumericalsimulation

analysisoffireresistanceperformanceofconcretesegment

componentofshieldtunnel[D]ChangshaCentralSouth

University２０１３(inChinese)

[２１]　徐志胜张威振火灾作用后CFRP加固钢筋混凝土梁的试验

研究及数值分析[J]铁道科学与工程学报２００４１(２)７９Ｇ８３

XUZhiＧshengZHANG WeiＧzhenExperimentalinvestigation

andnumericalanalysisforRCbeamsstrengthenedwithCFRP

afterfire damage[J]Journal of Railway Science and

Engineering２００４１(２)７９Ｇ８３(inChinese)

[２２]　刘　腾袁大军张　海火灾高温下盾构管片接头橡胶防水

性能劣化规律试验研究[J]土木工程学报２０１５４８(增１)

２４４Ｇ２４９

LIU TengYUAN DaＧjunZHANG HaiExperimental

studyonwaterproofperformancedeteriorationregulationof

shield segment joint rubber in environment of high

temperaturefire[J]ChinaCivilEngineeringJournal２０１５

４８(S１)２４４Ｇ２４９(inChinese)

[２３]　刘　腾袁大军王安华等火灾对原型盾构管片接头防水性

能损伤试验研究[J]土木工程学报２０１６４９(７)１１６Ｇ１２２

LIUTengYUANDaＧjunWANG AnＧhuaetalExperimental

studyonwatertightperformanceofprototypeshieldtunnel

segmentjointaffectedbyfire[J]ChinaCivilEngineering

Journal２０１６４９(７)１１６Ｇ１２２(inChinese)

[２４]　严佳梁盾构隧道管片接头形式的探讨与选择[J]建筑技术

２００９４０(３)２６９Ｇ２７２

YANJiaＧliangDiscussionandselectionofsegmentjointtype

ofshieldtunnel[J]ArchitectureTechnology２００９４０(３)

２６９Ｇ２７２(inChinese)

[２５]　市原三馨水野敬三道越真太郎等耐火セグメント継手部

における火災時挙動の実験的および解析的研究[J]大成建

設技術センター報２００８４１１Ｇ６

ICHIHARA S MIZUNO K MICHIKOSHI Set al

ExperimentalandanalyticalstudyoffirebehavioroffireＧ

resistantsegmentjoints[J]TaiseiConstructionTechnology

Corporation２００８４１１Ｇ６(inJapanese)

[２６]　郭　瑞何　川苏宗贤等盾构隧道管片接头抗剪力学性能

研究[J]现代隧道技术２０１１４８(４)７２Ｇ７７

GUO RuiHE ChuanSU ZongＧxianetalStudy of

shearing mechanicalpropertiesofsegmentjointsofshield

tunnels[J]ModernTunnellingTechnology２０１１４８(４)

７２Ｇ７７(inChinese)

[２７]　吴兰婷盾构隧道管片接头力学行为的有限元分析[D]成都西南交通大学２００５

８４

第６期 张稳军等盾构隧道斜螺栓接头受力性能与火灾下温度分布规律

WU LanＧtingFEM analysison mechanicalbehaviorsof

segmentjointsofshieldtunnel[D]ChengduSouthwest

JiaotongUniversity２００５(inChinese)

[２８]　张稳军金明明苏　忍等盾构隧道钢混复合管片的力学性

能试验[J]中国公路学报２０１６２９(５)８４Ｇ９４

ZHANG WenＧjunJIN MingＧmingSURenetalExperiment

on mechanicalpropertiesofsteelandconcretecomposite

segmentforshieldtunnel[J]ChinaJournalofHighwayand

Transport２０１６２９(５)８４Ｇ９４(inChinese)

[２９]　中井章裕トンネル内車両火災に対する鋼コンクリート合成

構造部材の耐火実験と数値解析[D]东京早稲田大学２０１１

AKIHIRO NFiretestand numericalanalysisofsteelＧ

concretecomposite memberbyvehiclefireintunnel[D]

TokyoWasedaUniversity２０１１(inJapanese)

[３０]　郭　军刘　帅蒋树屏海底隧道管节结构防火试验与数值

模拟[J]中国公路学报２０１６２９(１)９６Ｇ１０４１１４

GUOJunLIUShuaiJIANGShuＧpingFireＧprooftestand

numericalsimulationontubestructureofsubseatunnel[J]

ChinaJournalofHighwayandTransport２０１６２９(１)９６Ｇ

１０４１１４(inChinese)

[３１]　胡辉荣舒中文程崇国火灾高温时隧道衬砌结构温度场的

数值模拟[J]隧道建设２０１０３０(１)１５Ｇ１９

HU HuiＧrong SHU ZhongＧwen CHENG ChongＧguo

Numericalsimulationoftemperaturefieldoftunnelliningunder

hightemperatureincaseoffire[J]TunnelConstruction２０１０

３０(１)１５Ｇ１９(inChinese)

[３２]　黄　叙高温下盾构隧道接缝结构受力特性分析及可靠度研

究[D]长沙中南大学２０１４

HUANGXuStudyonthestressanalysisandreliabilityof

shieldtunneljointstructureunderhightemperature[D]

ChangshaCentralSouthUniversity２０１４(inChinese)

[３３]　段文玺建筑结构的火灾分析和处理[J]工业建筑１９８５(８)

５１Ｇ５４

DUAN WenＧxiFire analysis and treatment of building

structures[J]IndustrialConstruction１９８５(８)５１Ｇ５４(inChinese)

10508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898105089810508981050898

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laquo交通运输工程学报raquo２０１９年征订通知

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议组东南大学与西南交通大学共同协办的交通运输领域的学术理论刊物两院院士沈志云教授任名誉

主任委员主要刊载道路与铁道工程载运工具运用工程交通运输规划与管理交通信息工程与控制等

领域高水平的学术论文和重大工程实践项目产生的论文主要读者对象为国内外交通运输领域的科研

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９４

交　通　运　输　工　程　学　报 ２０１８年

rigidityofthesegmentjointofalargeＧdiametershieldtunnel[J]

ModernTunnelling Technology２０１３５０(１)１１５Ｇ１２２１３３(inChinese)

[１０]　朱合华崔茂玉杨金松盾构衬砌管片的设计模型与荷载分

布的研究[J]岩土工程学报２０００２２(２)１９０Ｇ１９４

ZHU HeＧhuaCUIMaoＧyuYANGJinＧsongDesignmodel

forshieldlining segmentsand distribution ofload[J]

ChineseJournalofGeotechnicalEngineering２０００２２(２)

１９０Ｇ１９４(inChinese)

[１１]　张冬梅樊振宇黄宏伟考虑接头力学特性的盾构隧道衬砌

结构计算方法研究[J]岩土力学２０１０３１(８)２５４６Ｇ２５５２

ZHANG DongＧmeiFAN ZhenＧyu HUANG HongＧwei

Calculation method of shield tunnel lining considering

mechanicalcharacteristics ofjoints[J] Rock and Soil

Mechanics２０１０３１(８)２５４６Ｇ２５５２(inChinese)

[１２]　董新平解枫赞一类盾构管片接头破坏历程的解析解[J]岩土工程学报２０１３３５(１０)１８７０Ｇ１８７５

DONG XinＧping XIE FengＧzan Analytical solution of

segmentjointmodelforsegmentedtunnellining[J]Chinese

JournalofGeotechnicalEngineering２０１３３５(１０)１８７０Ｇ１８７５(inChinese)

[１３]　张稳军张新新张云旆斜螺栓等级对盾构隧道接头受力和变

形的影响[J]地下空间与工程学报２０１８１４(增１)２２７Ｇ２３４

ZHANG WenＧjunZHANG XinＧxinZHANG YunＧpei

Influenceofinclined boltgrade on bearing capacity and

deformationofshieldtunneljoint[J]ChineseJournalof

UndergroundSpaceandEngineering２０１８１４(S１)２２７Ｇ２３４(inChinese)

[１４]　张稳军张高乐雷华阳基于塑性损伤的盾构隧道 FRPＧkey接头抗剪性能及布置方式合理性研究[J]中国公路学报

２０１７３０(８)３８Ｇ４８

ZHANG WenＧjun ZHANG GaoＧle LEI HuaＧyang

ResearchonshearperformanceofFRPＧkeyjointforshield

tunnelandrationalityofarrangementbasedonplasticＧdamage

model[J]ChinaJournalofHighwayandTransport２０１７

３０(８)３８Ｇ４８(inChinese)

[１５]　ABANTOJREGGIOMBARRERODetalPredictionof

fireandsmokepropagationinanunderwatertunnel[J]

TunnellingandUndergroundSpaceTechnology２００７２２(１)

９０Ｇ９５[１６]　MIGOYAECRESPO AGARCLAJetalAsimplified

modeloffiresin road tunnelsComparison with threeＧ

dimensional models and fullＧscale measurements[J]

TunnellingandUndergroundSpaceTechnology２００９２４(１)

３７Ｇ５２[１７]　YANZhiＧguoZHUHeＧhuaJUJWBehaviorofreinforced

concreteandsteelfiberreinforcedconcreteshieldTBMtunnel

liningsexposedtohightemperatures[J]Constructionand

BuildingMaterials２０１３３８６１０Ｇ６１８[１８]　YANZhiＧguoSHENYiZHUHeＧhuaetalExperimental

study of tunnel segmentaljoints subjected to elevated

temperature[J]TunnellingandUndergroundSpaceTechnology

２０１６５３４６Ｇ６０[１９]　闫治国隧道衬砌结构火灾高温力学行为及耐火方法研究[D]

上海同济大学２００７

YANZhiＧguoAstudyonmechanicalbehaviorsandfireproof

methodsoftunnellining structure during and afterfire

scenarios[D]ShanghaiTongjiUniversity２００７(inChinese)

[２０]　郭信君盾构隧道混凝土管片构件抗火性能试验及模拟分析

研究[D]长沙中南大学２０１３

GUOXinＧjunExperimentalstudyandnumericalsimulation

analysisoffireresistanceperformanceofconcretesegment

componentofshieldtunnel[D]ChangshaCentralSouth

University２０１３(inChinese)

[２１]　徐志胜张威振火灾作用后CFRP加固钢筋混凝土梁的试验

研究及数值分析[J]铁道科学与工程学报２００４１(２)７９Ｇ８３

XUZhiＧshengZHANG WeiＧzhenExperimentalinvestigation

andnumericalanalysisforRCbeamsstrengthenedwithCFRP

afterfire damage[J]Journal of Railway Science and

Engineering２００４１(２)７９Ｇ８３(inChinese)

[２２]　刘　腾袁大军张　海火灾高温下盾构管片接头橡胶防水

性能劣化规律试验研究[J]土木工程学报２０１５４８(增１)

２４４Ｇ２４９

LIU TengYUAN DaＧjunZHANG HaiExperimental

studyonwaterproofperformancedeteriorationregulationof

shield segment joint rubber in environment of high

temperaturefire[J]ChinaCivilEngineeringJournal２０１５

４８(S１)２４４Ｇ２４９(inChinese)

[２３]　刘　腾袁大军王安华等火灾对原型盾构管片接头防水性

能损伤试验研究[J]土木工程学报２０１６４９(７)１１６Ｇ１２２

LIUTengYUANDaＧjunWANG AnＧhuaetalExperimental

studyonwatertightperformanceofprototypeshieldtunnel

segmentjointaffectedbyfire[J]ChinaCivilEngineering

Journal２０１６４９(７)１１６Ｇ１２２(inChinese)

[２４]　严佳梁盾构隧道管片接头形式的探讨与选择[J]建筑技术

２００９４０(３)２６９Ｇ２７２

YANJiaＧliangDiscussionandselectionofsegmentjointtype

ofshieldtunnel[J]ArchitectureTechnology２００９４０(３)

２６９Ｇ２７２(inChinese)

[２５]　市原三馨水野敬三道越真太郎等耐火セグメント継手部

における火災時挙動の実験的および解析的研究[J]大成建

設技術センター報２００８４１１Ｇ６

ICHIHARA S MIZUNO K MICHIKOSHI Set al

ExperimentalandanalyticalstudyoffirebehavioroffireＧ

resistantsegmentjoints[J]TaiseiConstructionTechnology

Corporation２００８４１１Ｇ６(inJapanese)

[２６]　郭　瑞何　川苏宗贤等盾构隧道管片接头抗剪力学性能

研究[J]现代隧道技术２０１１４８(４)７２Ｇ７７

GUO RuiHE ChuanSU ZongＧxianetalStudy of

shearing mechanicalpropertiesofsegmentjointsofshield

tunnels[J]ModernTunnellingTechnology２０１１４８(４)

７２Ｇ７７(inChinese)

[２７]　吴兰婷盾构隧道管片接头力学行为的有限元分析[D]成都西南交通大学２００５

８４

第６期 张稳军等盾构隧道斜螺栓接头受力性能与火灾下温度分布规律

WU LanＧtingFEM analysison mechanicalbehaviorsof

segmentjointsofshieldtunnel[D]ChengduSouthwest

JiaotongUniversity２００５(inChinese)

[２８]　张稳军金明明苏　忍等盾构隧道钢混复合管片的力学性

能试验[J]中国公路学报２０１６２９(５)８４Ｇ９４

ZHANG WenＧjunJIN MingＧmingSURenetalExperiment

on mechanicalpropertiesofsteelandconcretecomposite

segmentforshieldtunnel[J]ChinaJournalofHighwayand

Transport２０１６２９(５)８４Ｇ９４(inChinese)

[２９]　中井章裕トンネル内車両火災に対する鋼コンクリート合成

構造部材の耐火実験と数値解析[D]东京早稲田大学２０１１

AKIHIRO NFiretestand numericalanalysisofsteelＧ

concretecomposite memberbyvehiclefireintunnel[D]

TokyoWasedaUniversity２０１１(inJapanese)

[３０]　郭　军刘　帅蒋树屏海底隧道管节结构防火试验与数值

模拟[J]中国公路学报２０１６２９(１)９６Ｇ１０４１１４

GUOJunLIUShuaiJIANGShuＧpingFireＧprooftestand

numericalsimulationontubestructureofsubseatunnel[J]

ChinaJournalofHighwayandTransport２０１６２９(１)９６Ｇ

１０４１１４(inChinese)

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数值模拟[J]隧道建设２０１０３０(１)１５Ｇ１９

HU HuiＧrong SHU ZhongＧwen CHENG ChongＧguo

Numericalsimulationoftemperaturefieldoftunnelliningunder

hightemperatureincaseoffire[J]TunnelConstruction２０１０

３０(１)１５Ｇ１９(inChinese)

[３２]　黄　叙高温下盾构隧道接缝结构受力特性分析及可靠度研

究[D]长沙中南大学２０１４

HUANGXuStudyonthestressanalysisandreliabilityof

shieldtunneljointstructureunderhightemperature[D]

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[３３]　段文玺建筑结构的火灾分析和处理[J]工业建筑１９８５(８)

５１Ｇ５４

DUAN WenＧxiFire analysis and treatment of building

structures[J]IndustrialConstruction１９８５(８)５１Ｇ５４(inChinese)

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laquo交通运输工程学报raquo２０１９年征订通知

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第６期 张稳军等盾构隧道斜螺栓接头受力性能与火灾下温度分布规律

WU LanＧtingFEM analysison mechanicalbehaviorsof

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JiaotongUniversity２００５(inChinese)

[２８]　张稳军金明明苏　忍等盾构隧道钢混复合管片的力学性

能试验[J]中国公路学报２０１６２９(５)８４Ｇ９４

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Transport２０１６２９(５)８４Ｇ９４(inChinese)

[２９]　中井章裕トンネル内車両火災に対する鋼コンクリート合成

構造部材の耐火実験と数値解析[D]东京早稲田大学２０１１

AKIHIRO NFiretestand numericalanalysisofsteelＧ

concretecomposite memberbyvehiclefireintunnel[D]

TokyoWasedaUniversity２０１１(inJapanese)

[３０]　郭　军刘　帅蒋树屏海底隧道管节结构防火试验与数值

模拟[J]中国公路学报２０１６２９(１)９６Ｇ１０４１１４

GUOJunLIUShuaiJIANGShuＧpingFireＧprooftestand

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ChinaJournalofHighwayandTransport２０１６２９(１)９６Ｇ

１０４１１４(inChinese)

[３１]　胡辉荣舒中文程崇国火灾高温时隧道衬砌结构温度场的

数值模拟[J]隧道建设２０１０３０(１)１５Ｇ１９

HU HuiＧrong SHU ZhongＧwen CHENG ChongＧguo

Numericalsimulationoftemperaturefieldoftunnelliningunder

hightemperatureincaseoffire[J]TunnelConstruction２０１０

３０(１)１５Ｇ１９(inChinese)

[３２]　黄　叙高温下盾构隧道接缝结构受力特性分析及可靠度研

究[D]长沙中南大学２０１４

HUANGXuStudyonthestressanalysisandreliabilityof

shieldtunneljointstructureunderhightemperature[D]

ChangshaCentralSouthUniversity２０１４(inChinese)

[３３]　段文玺建筑结构的火灾分析和处理[J]工业建筑１９８５(８)

５１Ｇ５４

DUAN WenＧxiFire analysis and treatment of building

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